一種利用皮秒激光加工孔的方法技術

一種利用皮秒激光加工孔的方法，根據纖維復合材料的特點，結合皮秒激光極高的峰值功率使其對材料無選擇性的加工特征，在CMC-SiC材料上實現孔加工。本發明專利技術通過分布加工的方式，在碳化硅陶瓷基復合材料上逐層加工出圓孔或方孔，加工中，無需考慮微小裂紋的影響，穩定性較好，尤其適用于大批量重復性微孔加工。當加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。當加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。本發明專利技術具有加工工藝穩定性好、可設計性強、精度高等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及復合材料加工領域，具體是一種利用皮秒激光在碳化硅陶瓷基復合材料上加工孔的方法
技術介紹
連續纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(CMC-SiC)是一種新型戰略性高溫結構材料。與鈦合金、高溫合金和金屬間化合物相比，CMC-SiC材料熱膨脹系數更低，抗高低周期疲勞和抗熱震疲勞更優異；同時具有耐燒蝕，抗沖刷，動態和靜態摩擦系數高且摩擦系數對濕度不敏感等一系列優異性能。此外，CMC-SiC材料可以有效提高發動機的工作溫度和降低結構重量，在高推重比航空發動機具有廣泛的應用前景。但是，由于CMC-SiC材料硬度高(SiC硬度僅次于金剛石和立方氮化硼)，在使用中很難加工。目前采用特種金剛石刀具在制造過程中進行在線加工，解決了 CMC-SiC材料切害I]、打磨、拋光等基本加工技術問題，但加工成本高，加工效率低。另外，在實際應用過程中，經常需要加工微小冷卻孔(〈O 1.0mm)以進一步提高CMC-SiC材料的使用溫度和可靠性，如航空渦扇發動機葉片等構件，然而目前尚無法在CMC-SiC材料上加工小于O 2.0mm的孔，尤其是帶角度的冷卻孔，影響了 CMC-SiC材料的應用效果。因此，迫切需要采用新型加工技術，解決CMC-SiC材料孔加工問題。由于預制體是以纖維束的形式進行編制的，CVI制備的纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料具有顯著的束結構顯微特征(附圖1)。研究表明，這種束結構特征使纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料表現出顯著的非均勻復合材料效應，是纖維復合材料具有高性能的重要原因。美國專利(US5656186，US8171937)和歐洲專利(US2012196454)等已經專利技術了材料皮秒激光的加工方法，其通過選擇合適的激光系統和加工參數對半導體材料和生物材料等進行加工，可以減少熔融區、熱損傷及微裂紋的產生。但是，該方法不能完全適用于碳化娃陶瓷基復合材料的孔加工。Wenqian Hu等研究人員在Journal of ManufacturingScience and Engineering, 132,011009(2010)中發表的論文“Micromachining ofmetals, alloys, and ceramics by picosecond laser ablation，，中對皮秒激光孑L力口工SiC/SiC復合材料進行了簡單的介紹。公開在Applied Physics A, (2012)的文章“Ultra-short pulse laser deep drilling of C/SiC composites in air，，中對超短脈沖孔加工C/SiC復合材料加工效果進行了簡單分析。但是，兩篇文章中均未涉及到具體的加工方式。
技術實現思路
為克服現有技術中存在的尚無法在CMC-SiC材料上加工小于0 2.0mm的孔，尤其是帶角度的冷卻孔，影響了 CMC-SiC材料的應用效果的不足，本專利技術提出了，步驟1，試樣表面清洗。將碳化硅陶瓷基復合材料切割為塊狀試樣；在酒精浸泡下超聲清洗試樣15min ;干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基復合材料試樣。步驟2，加工孔。所述的孔是圓形孔或方形孔；通過皮秒激光對碳化硅陶瓷基復合材料試樣進行微加工。微加工中，皮秒激光波長為355 532nm，脈沖寬度為I 10ps，激光輸出功率根據微加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mw 20w，激光重復頻率根據微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進行加工，加工頭轉速為1000轉/秒。加工孔的具體過程是:使皮秒激光束通過物鏡聚焦在碳化硅陶瓷基復合材料試樣表面上待加工孔的中心處,焦距為100mm。對試樣進行加工。所述加工過程分為三步:第一步，預成形孔。所述預成形孔的孔徑為成形孔孔徑的85 90%，采用逐層切除方式加工，直至貫通。第二步，消除預成形孔中的錐度。采用沿所述預成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預成形孔中的錐度，并通過消除預成形孔中的錐度，使預成形孔的孔徑達到成形孔孔徑的95 98%。第三步，成孔。對所述消除錐度的預成形孔表面進行逐層加工，并消除所述消除錐度的預成形孔壁上的氧化層，得到成孔。加工中，相鄰皮秒激光路徑之間的間距為0.01 0.1mm ;每層的加工深度為5 20 μ m0步驟3，清洗:將得到的皮秒激光微加工成形的圓孔置于酒精中超聲清洗試樣15min,清除表面及孔壁殘存碎屑。當加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。當加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。本專利技術根據纖維復合材料的特點，結合皮秒激光極高的峰值功率使其對材料無選擇性的加工特征，在CMC-SiC材料上實現孔加工。本專利技術的主要優點是:(I)適用于高深徑比微孔的加工，成形質量好，加工成形后經過簡單清洗后表面較光滑，無需其他的后續處理。附圖2為本專利技術所成形的2DCVI C/SiC復合材料圓孔的SEM照片及所成形孔的縱向截面圖，其中圖2a為所成形孔的入口，圖2b為所成形孔的出口，圖2c為成形孔的縱向截面圖。該孔的孔徑為650 μ m,深度為3mm。從圖2中能夠看出，所成形的孔入口圓度為100%，出口圓度為94%。經清洗后，加工孔入口邊緣無燒蝕。從圖2c中可知，加工孔深度方向為較為規則柱形孔，孔內壁較光滑。(2)試樣放置在加工平臺上進行加工。加工可設計性好，可根據需要對微加工形狀及尺寸設計和加工，更適用于加工孔徑小于1.0mm的圓形孔和邊長小于1.0mm方形孔。(3)復合材料表現出顯著的非均勻復合材料效應加工。不用考慮微小裂紋的影響，穩定性較好，尤其適用于大批量重復性微孔加工。本專利技術能夠對CMC-SiC材料進行圓孔或方形孔加工，具有加工工藝穩定性好、可設計性強、精度高等優點。附圖說明附圖1是CVI制備纖維編織體碳化硅陶瓷基復合材料的微結構特征。附圖2是實施例1中加工的圓孔的微結構特征，其中，圖2a是孔的入口 ；圖2b是孔的出口，圖2c是圓孔的軸向截面圖。附圖3是實施例2中加工方孔的微結構特征。附圖4是本專利技術的流程圖。具體實施例方式實施例1本實施例提出的成形圓孔的方法適用于碳化硅陶瓷基復合材料，本實施例中僅以C/SiC復合材料試樣為例說明。所成形孔的直徑為650 u m。本實施例中,所使用的皮秒激光器采用立陶宛Light Conversion公司的Nd:YAG皮秒激光器。本實施例的具體過程是:步驟1，試樣表面清洗。將2D CVI C/SiC復合材料切割為20mmX IOmmX 3mm的矩形塊狀試樣，然后在酒精浸泡下超聲清洗試樣15min去除表面灰塵油污等雜質，最后用烘干箱進行干燥，得到清洗后的試樣。步驟2，加工孔。通過皮秒激光對2D CVI C/SiC復合材料試樣進行微加工。加工中，皮秒激光波長為355 532nm，脈沖寬度為I 10ps，激光輸出功率根據微加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mw 20w，激光重復頻率根據微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進行旋切圓孔加工，力口工頭轉速為1000轉/秒。本實施例中，皮秒激光波長為532nm，脈沖寬度為6.8ps，激光輸出功率的變化范圍為311mw 19.5w，激光重復頻率的變化范圍為32 400kHz。具體過程是:將清洗本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用皮秒激光加工孔的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，試樣表面清洗；將碳化硅陶瓷基復合材料切割為塊狀試樣；在酒精浸泡下超聲清洗試樣15min；干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基復合材料試樣；步驟2，加工孔；所述的孔是圓形孔或方形孔；通過皮秒激光對碳化硅陶瓷基復合材料試樣進行微加工；微加工中，皮秒激光波長為355～532nm，脈沖寬度為1～10ps，激光輸出功率根據微加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mw～20w，激光重復頻率根據微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為1～600kHz；對試樣采用逐層去除方式進行加工，加工頭轉速為1000轉/秒；加工孔的具體過程是：使皮秒激光束通過物鏡聚焦在碳化硅陶瓷基復合材料試樣表面上待加工孔的中心處，焦距為100mm；對試樣進行加工；所述加工過程分為三步：第一步，預成形孔；所述預成形孔的孔徑為成形孔孔徑的85～90%，采用逐層切除方式加工，直至貫通；第二步，消除預成形孔中的錐度；采用沿所述預成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預成形孔中的錐度，并通過消除預成形孔中的錐度，使預成形孔的孔徑達到成形孔孔徑的95～98%；第三步，成孔；對所述消除錐度的預成形孔表面進行逐層加工，并消除所述消除錐度的預成形孔壁上的氧化層，得到成孔；加工中，相鄰皮秒激光路徑之間的間距為0.01～0.1mm；每層的加工深度為5～20μm；步驟3，清洗：將得到的皮秒激光微加工成形的圓孔置于酒精中超聲清洗試樣15min，清除表面及孔壁殘存碎屑。...

【技術特征摘要】
1.一種利用皮秒激光加工孔的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，試樣表面清洗；將碳化硅陶瓷基復合材料切割為塊狀試樣；在酒精浸泡下超聲清洗試樣15min ;干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基復合材料試樣； 步驟2，加工孔；所述的孔是圓形孔或方形孔；通過皮秒激光對碳化硅陶瓷基復合材料試樣進行微加工；微加工中，皮秒激光波長為355 532nm，脈沖寬度為I lOps，激光輸出功率根據微加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mw 20w，激光重復頻率根據微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 600kHz ;對試樣采用逐層去除方式進行加工，加工頭轉速為1000轉/秒； 加工孔的具體過程是:使皮秒激光束通過物鏡聚焦在碳化硅陶瓷基復合材料試樣表面上待加工孔的中心處，焦距為100mm; 對試樣進行加工；所述加工過程分為三步: 第一步，預成形孔；所述預成...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉永勝，張立同，成來飛，王春輝，張青，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：