利用飛秒激光進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料微孔加工的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料超精細(xì)微加工領(lǐng)域，具體涉及一種利用飛秒激光進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料微孔加工的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)不但具有耐高溫、低密度、高比模、高比強(qiáng)、抗氧化和抗燒蝕等碳化硅陶瓷材料的優(yōu)異性能，而且克服了陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱點(diǎn)，具有對(duì)裂紋不敏感、無(wú)災(zāi)難性損毀等特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在可提高使用溫度、減輕結(jié)構(gòu)重量和增強(qiáng)可靠性的方面，因而在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，受到世界各國(guó)的高度重視。
[0003]隨著實(shí)際服役環(huán)境的日益苛刻，CMC-SiC材料的應(yīng)用對(duì)超精細(xì)微加工提出越來(lái)越高的要求，其加工質(zhì)量、尺寸精度及位置精度等對(duì)整體構(gòu)件力學(xué)性能、可靠性和使用壽命都有重要影響。如CMC-SiC材料用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)/工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒和渦輪葉片時(shí)需要加工直徑〈Φ1.0_的氣膜冷卻孔，用作太空反射鏡時(shí)需進(jìn)行超高精度拋光，用作空天飛行器構(gòu)件時(shí)其尖銳前緣的半徑〈0.5mm，用作核包殼管時(shí)需加工封裝微孔等。在經(jīng)過(guò)成型制備的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和零部件上，有許多裝配連接用的定位微孔、微槽等需進(jìn)行精密的機(jī)械加工，這對(duì)加工精度和加工質(zhì)量要求高。這些微加工要求尺度小(直徑〈Φ 1.0mm)、精度高，屬于CMC-SiC材料研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
[0004]由于CMC-SiC屬于難加工材料，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，很難對(duì)其進(jìn)行超精細(xì)微加工，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法加工碳纖維復(fù)合材料時(shí)主要存在以下問(wèn)題:①材料加工困難，加工質(zhì)量差。對(duì)于二維復(fù)合材料，由于其釆用二維疊層方式進(jìn)行鋪設(shè)，層間結(jié)合力差，在切削加工時(shí)容易產(chǎn)生分層和撕裂等缺陷，降低了復(fù)合材料的使用性能。②刀具磨損嚴(yán)重，加工效率低。由于碳纖維復(fù)合材料的硬度高(HRC = 53?65)、強(qiáng)度大、耐磨性好、導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致刀具磨損較快，使得工件的加工精度和表面質(zhì)量難以保證。
[0005]因此，如何實(shí)現(xiàn)CMC-SiC材料零部件的高質(zhì)高效精密加工己成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)先進(jìn)制造領(lǐng)域亟待待解決的難題之一。
[0006]飛秒激光加工集超快激光技術(shù)、超高精度定位技術(shù)、顯微技術(shù)于一身，是一種新型的CMC-SiC材料加工方式，與普通加工方式相比，主要優(yōu)點(diǎn)如下:
[0007](I)加工損傷小。飛秒超短脈沖激光脈沖持續(xù)時(shí)間短，能量在極小時(shí)間和空間內(nèi)完成與物質(zhì)的相互作用。從加工開(kāi)始至結(jié)束，熱量來(lái)不及擴(kuò)散，能量?jī)H積累在材料微小區(qū)域的薄層內(nèi)。加工完成后，損傷區(qū)域周圍的材料仍處于“冷”狀態(tài)，大大減弱了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來(lái)的諸多負(fù)面影響。
[0008](2)加工精度高。飛秒激光能量在空間和時(shí)間上都呈現(xiàn)高斯型或類高斯型分布。這可以使得只有聚焦光斑中心部位的強(qiáng)度可達(dá)到材料的加工閾值，此時(shí)加工中的能量吸收與作用范圍被限制于焦點(diǎn)中心處很小體積內(nèi)，加工尺度遠(yuǎn)小于光斑尺寸，達(dá)到亞微米級(jí)甚至納米級(jí)。
[0009]美國(guó)專利(US5656186)中通過(guò)研宄納秒和飛秒激光器加工不透明材料(鋁)，納秒和皮飛秒激光器加工透明材料(S12)，從而得到該材料擊穿閾值和激光束的脈沖寬度的關(guān)系。美國(guó)專利(US8171937)利用飛秒脈沖的激光束源的高重復(fù)率的和低脈沖能量的特點(diǎn)，發(fā)明了精密加工材料的裝置，該裝置主要于角膜切瓣或透鏡體校正視覺(jué)缺陷。歐洲專利(US2012196454)研宄飛秒和皮秒的脈沖寬度對(duì)半導(dǎo)體材料表面微加工的影響。但是，這幾個(gè)專利加工方法和加工參數(shù)均不適用于陶瓷基復(fù)合材料的激光加工。中國(guó)專利(CN103143841A)研宄了皮秒脈沖激光在陶瓷基復(fù)合材料中的應(yīng)用，得到合理的激光加工工藝參數(shù)和路徑。王春輝等在Appl.Phys.A 116，1221-1228 (2014)中發(fā)表文章，采用了線掃和環(huán)掃兩種加工模式，分析了皮秒激光的能量密度對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的加工區(qū)的形貌和化學(xué)成分的影響。但是，上述科研中未能涉及到飛秒激光加工在陶瓷基復(fù)合材料中的加工應(yīng)用。
[0010]G.Dumitru 等研宄人員在 Applied Surface Science, 252 (2005) 352-357 中發(fā)表的論文“Femtosecond laser ablat1n of diamond-like carbon films”，通過(guò)改變飛秒激光的能量密度對(duì)加工類金剛石薄膜進(jìn)行加工，得到該材料燒蝕閥值。Makoto Yamaguchi等在 Applied Physics A，99 (2010) 23-27 中發(fā)表文章 “Raman spectroscopic study offemtosecond laser-1nduced phase transformat1n associated with ripple format1non single-crystal SiC”采用拉曼分析法研宄單晶碳化娃經(jīng)過(guò)飛秒激光福照后表面微觀結(jié)構(gòu)的變化。J.Bonse 等在 Appl.Phys.A 74, 19 - 25 (2002)中發(fā)表的論文 “Femtosecondlaser ablat1n of silicon - modificat1n thresholds and morphology，，用量子物理學(xué)解釋了飛秒激光燒蝕Si的形貌變化及物理過(guò)程。但是，這幾篇文章中試驗(yàn)方法僅僅是改變激光加工參數(shù)，研宄陶瓷材料的燒蝕閥值及燒蝕表面物理和化學(xué)形貌，均未涉及具體的加工過(guò)程及詳細(xì)的加工參數(shù)，不能解決飛秒激光在CMC-SiC材料工程中的實(shí)際需要，特別是目前急需解決的關(guān)于CMC-SiC材料的超精細(xì)微孔加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0012]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種利用飛秒激光進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料微孔加工的方法，解決現(xiàn)有服役環(huán)境中對(duì)CMC-SiC材料的超精細(xì)微孔加工的要求，即滿足實(shí)際應(yīng)用中高精度定位的微孔加工的需求。
[0013]技術(shù)方案
[0014]一種利用飛秒激光進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料微孔加工的方法，其特征在于步驟如下:
[0015]步驟1:將CMC-SiC材料酒精浸泡下超聲清洗，去除表面灰塵油污，用烘干箱進(jìn)行干燥；
[0016]步驟2:將CMC-SiC材料放置在三維精密位移加工平臺(tái)上，飛秒激光經(jīng)光路引導(dǎo)再經(jīng)顯微物鏡聚焦在材料表面，以螺旋線逐層掃描加工圓孔，或以線性逐層掃描加工矩形孔；所述激光加工參數(shù)為:波長(zhǎng)400?1500nm，脈沖寬度80?500fs，輸出功率20mW?20W，重復(fù)頻率50K?25MHz，加工頭轉(zhuǎn)速為2400rev/s。
[0017]步驟3:將微加工好的材料在酒精浸泡下超聲清洗試樣10?20min，去除表面及側(cè)壁殘存碎肩。
[0018]所述步驟2實(shí)施螺旋線逐層掃描加工圓孔，或以線性逐層掃描加工矩形孔時(shí)，加工過(guò)程分為三步:1、先沿成形孔軸線方向逐層切除方式加工具有錐度的預(yù)成形孔，預(yù)成形孔的第一層的孔徑為成形孔孔徑的85?90% ;2、然后采用逐層切除的方式，沿著預(yù)成形孔的軸線加工以消除預(yù)制孔的錐度，加工至成形孔孔徑的95?98%的通孔；3、對(duì)通孔表面進(jìn)行逐層加工，消除孔壁上的微量氧化層，得到成型孔。
[0019]所述以螺旋線逐層掃描加工圓孔的過(guò)程分為三步:第一步采用加工功率7W?20W及重復(fù)頻率50K?150KHz，獲得錐形通孔；第二次采用加工功率5W?15W及重復(fù)頻率50K?ΙΟΟΚΗζ，獲得柱形通孔；第三次采用加工功率3W?12W及重復(fù)頻率50K?ΙΟΟΚΗζ，獲得所需加工孔。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明提出的一種利用飛秒激光進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料微孔加工的方法，根據(jù)CMC-SiC材料的特點(diǎn)，結(jié)合飛秒激光脈沖寬度極短、峰值功率極高使其對(duì)材料無(wú)選擇加工的特點(diǎn)，在陶瓷基復(fù)合材料上實(shí)現(xiàn)微孔加工。本發(fā)明將碳化硅陶瓷基復(fù)合材料試樣置于工作臺(tái)上，利用飛秒激光對(duì)厚度小于3_的試樣進(jìn)行螺旋線逐層加工或線性掃描加工。在微加工過(guò)程中，飛秒激光加工波長(zhǎng)為400?1500nm，脈沖寬度為80?500fs，激光輸出功率根據(jù)微孔加工要求而定，化范圍為20mW?20W，激光重復(fù)頻率也根據(jù)微孔加工要求而定，變化范圍為50K?25MHz。對(duì)試樣采用逐層去除方式進(jìn)行加工，加工頭轉(zhuǎn)速為2400rev/S。加工時(shí)優(yōu)點(diǎn):(1)加工損傷小。加工完成后，損傷區(qū)域周圍材料仍處于“冷”狀態(tài)，因而熱效應(yīng)??；
(2)加工精度高。飛秒激光能量呈現(xiàn)高斯分布，加工中能量的吸收和作用被限制于焦點(diǎn)中心很小的體積內(nèi)，加工尺度達(dá)到微米級(jí)至亞亞微米級(jí)。
[0022]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是:(I)可實(shí)現(xiàn)高精度的微孔加工，同樣適用于高深徑比微孔的加工，飛秒激光微加工加工速度快，成孔質(zhì)量好，加工工藝簡(jiǎn)單，加工成形后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單清洗后表面較光滑，無(wú)需其他的后續(xù)處理。附圖2給出了本發(fā)明所加工的2D CVI C/SiC復(fù)合材料圓孔加工的微結(jié)構(gòu)特征。從圖2中能夠看出，所加工孔的入口圓度為100%，出口圓度為95%。經(jīng)清理后，加工孔入口邊緣無(wú)