專利名稱：一種利用皮秒激光加工孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料加工領(lǐng)域，具體是一種利用皮秒激光在碳化硅陶瓷基復(fù)合材料上加工孔的方法
背景技術(shù)：
連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)是一種新型戰(zhàn)略性高溫結(jié)構(gòu)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(shù)更低，抗高低周期疲勞和抗熱震疲勞更優(yōu)異；同時具有耐燒蝕，抗沖刷，動態(tài)和靜態(tài)摩擦系數(shù)高且摩擦系數(shù)對濕度不敏感等一系列優(yōu)異性能。此外，CMC-SiC材料可以有效提高發(fā)動機(jī)的工作溫度和降低結(jié)構(gòu)重量，在高推重比航空發(fā)動機(jī)具有廣泛的應(yīng)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(jìn)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(shù)問題，但加工成本高，加工效率低。另外，在實(shí)際應(yīng)用過程中，經(jīng)常需要加工微小冷卻孔(〈O 1.0mm)以進(jìn)一步提高CMC-SiC材料的使用溫度和可靠性，如航空渦扇發(fā)動機(jī)葉片等構(gòu)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(yīng)用效果。因此，迫切需要采用新型加工技術(shù)，解決CMC-SiC材料孔加工問題。由于預(yù)制體是以纖維束的形式進(jìn)行編制的，CVI制備的纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有顯著的束結(jié)構(gòu)顯微特征(附圖1)。研究表明，這種束結(jié)構(gòu)特征使纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出顯著的非均勻復(fù)合材料效應(yīng)，是纖維復(fù)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(jīng)發(fā)明了材料皮秒激光的加工方法，其通過選擇合適的激光系統(tǒng)和加工參數(shù)對半導(dǎo)體材料和生物材料等進(jìn)行加工，可以減少熔融區(qū)、熱損傷及微裂紋的產(chǎn)生。但是，該方法不能完全適用于碳化娃陶瓷基復(fù)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(fā)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(fù)合材料進(jìn)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(fù)合材料加工效果進(jìn)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。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)用效果的不足，本發(fā)明提出了一種利用皮秒激光加工孔的方法，
步驟1，試樣表面清洗。將碳化硅陶瓷基復(fù)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(fù)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(fù)合材料試樣進(jìn)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(jù)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(fù)頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復(fù)頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進(jìn)行加工，加工頭轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/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(fù)合材料試樣表面上待加工孔的中心處,焦距為100mm。
對試樣進(jìn)行加工。所述加工過程分為三步:
第一步，預(yù)成形孔。所述預(yù)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(yù)成形孔中的錐度。采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預(yù)成形孔中的錐度，并通過消除預(yù)成形孔中的錐度，使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的95 98%。
第三步，成孔。對所述消除錐度的預(yù)成形孔表面進(jìn)行逐層加工，并消除所述消除錐度的預(yù)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(dāng)加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。
當(dāng)加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。
本發(fā)明根據(jù)纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)，結(jié)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(shí)現(xiàn)孔加工。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是:(I)適用于高深徑比微孔的加工，成形質(zhì)量好，加工成形后經(jīng)過簡單清洗后表面較光滑，無需其他的后續(xù)處理。附圖2為本發(fā)明所成形的2DCVI C/SiC復(fù)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(jīng)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?yàn)檩^為規(guī)則柱形孔，孔內(nèi)壁較光滑。(2)試樣放置在加工平臺上進(jìn)行加工。加工可設(shè)計(jì)性好，可根據(jù)需要對微加工形狀及尺寸設(shè)計(jì)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(fù)合材料表現(xiàn)出顯著的非均勻復(fù)合材料效應(yīng)加工。不用考慮微小裂紋的影響，穩(wěn)定性較好，尤其適用于大批量重復(fù)性微孔加工。
本發(fā)明能夠?qū)MC-SiC材料進(jìn)行圓孔或方形孔加工，具有加工工藝穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
附圖1是CVI制備纖維編織體碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)特征。附圖2是實(shí)施例1中加工的圓孔的微結(jié)構(gòu)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(shí)施例2中加工方孔的微結(jié)構(gòu)特征。附圖4是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例提出的成形圓孔的方法適用于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，本實(shí)施例中僅以C/SiC復(fù)合材料試樣為例說明。所成形孔的直徑為650 u m。本實(shí)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(shí)施例的具體過程是:步驟1，試樣表面清洗。將2D CVI C/SiC復(fù)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(zhì)，最后用烘干箱進(jìn)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(fù)合材料試樣進(jìn)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(jù)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(fù)頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復(fù)頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進(jìn)行旋切圓孔加工，力口工頭轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/秒。本實(shí)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(fù)頻率的變化范圍為32 400kHz。具體過程是:將清洗后的試樣放置在所使用的皮秒激光器對應(yīng)的加工平臺上，并使皮秒激光束通過物鏡聚焦在C/SiC復(fù)合材料試樣表面上待加工孔的中心處，焦距為IOOmm0在2D CVI C/SiC復(fù)合材料試樣上加工孔。所述加工過程分為三步:第一步，預(yù)成形孔。所述預(yù)成形孔的孔徑為成形孔孔徑的85%，采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除方式加工。加工第一層時，以待成形孔中心為激光束起點(diǎn)，通過皮秒激光將C/SiC復(fù)合材料試樣表面切除，并以螺旋狀路徑將切除的試樣表面逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的孔徑。將激光束移至待成形孔的中心，繼續(xù)以螺旋狀路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的孔徑。重復(fù)上述過程，直至形成預(yù)成形的通孔。所成形孔具有錐度，這是由于皮秒激光能量高斯分布的特征及微孔直徑內(nèi)碎屑對激光的反作用能力所決定的。預(yù)成形中，激光輸出功率為19.5w,重復(fù)頻率為400kHz ;當(dāng)激光束螺旋狀路徑加工時，相鄰螺旋線之間的間距為0.05mm ;在逐層加工中，每層的加工深度為20pm。第二步，消除預(yù)成形孔中的錐度。通過消除預(yù)成形孔中的錐度，使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的95%。采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預(yù)成形孔中的錐度。在消除預(yù)成形孔中的錐度時，激光束自所述預(yù)成形孔孔口處的內(nèi)表面開始，以螺旋狀路徑切除的所述預(yù)成形孔孔口處的內(nèi)表面，使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的95%，完成第一層加工。將激光束移至預(yù)成形孔內(nèi)表面，繼續(xù)以螺旋狀路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的孔徑。重復(fù)上述過程，直至消除預(yù)成形孔中的錐度，并使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的95%。在消除預(yù)成形孔中的錐度中，在預(yù)成形孔的孔壁形成氧化層，本實(shí)施例中，所述氧化層厚度為20 30 μ m。
在消除預(yù)成形孔中的錐度時，激光輸出功率17.5w，重復(fù)頻率400kHz ;當(dāng)激光束螺旋狀路徑徑向加工時，相鄰螺旋線之間的間距為0.05mm;在逐層加工中，每層的加工深度為 18 μ m。
第三步，成孔。對消除錐度的預(yù)成形孔中進(jìn)行成孔的皮秒激光微加工，并消除所述消除錐度的預(yù)成形孔壁上的氧化層。在成孔中，激光束對所述消除錐度的預(yù)成形孔表面進(jìn)行逐層加工，光束自所述預(yù)成形孔孔口處內(nèi)壁的氧化層表面開始，采用環(huán)形方式切除孔壁，并去除所述預(yù)成形孔孔口處內(nèi)壁的氧化層，使所述預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成孔的要求，完成第一層加工。激光束沿所述預(yù)成形孔的軸向下移5 μ m，繼續(xù)采用環(huán)形方式切除孔壁，并去除所述預(yù)成形孔內(nèi)壁上的氧化層，完成第二層加工。重復(fù)上述過程，直至將所述預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成孔的要求，得到皮秒激光微加工成形的圓孔。
成孔加工中，激光輸出功率為311mw，重復(fù)頻率為32kHz ;在逐層加工中，每層的加工深度為5 μ m。
步驟3，清洗。將得到的皮秒激光加工成形的圓孔置于酒精中超聲清洗試樣15min,去除表面及孔壁殘存碎屑。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提出的成形方孔的方法適用于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，本實(shí)施例中僅以SiC/SiC復(fù)合材料試樣為例說明。所成形孔的平面尺寸為:650 μ m*650 μ m。
本實(shí)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(shí)施例的具體過程是:
步驟1，試樣表面清洗。將2D CVI C/SiC復(fù)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(zhì)，最后用烘干箱進(jìn)行干燥，得到清洗后的試樣。
步驟2，加工孔。通過皮秒激光在2D CVI C/SiC復(fù)合材料試樣上加工孔。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(jù)孔加工的過程變化，其激光輸出功率的變化范圍為20mw 20w，激光重復(fù)頻率根據(jù)孔加工的過程變化，其激光重復(fù)頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進(jìn)行線性掃描方形孔加工，掃描速度為1000mm/S。本實(shí)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IOOmw 10w，激光重復(fù)頻率的變化范圍為32 200kHz。
具體過程是:將清洗后的試樣放置在所使用的皮秒激光器對應(yīng)的加工平臺上，并使皮秒激光束通過物鏡聚焦在C/SiC復(fù)合材料試樣表面上待加工孔的任意一個角上，焦距為 80mm。
在2D CVI C/SiC復(fù)合材料試樣上加工孔。所述加工過程分為三步:
第一步，預(yù)成形孔。所述預(yù)成形孔的孔徑為成形方孔尺寸的90%，采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除方式加工。加工第一層時，以待成形孔的任意一個角為激光束起點(diǎn)，通過皮秒激光將C/SiC復(fù)合材料試樣表面切除，并以線性掃描路徑將切除的試樣表面逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的方形孔尺寸。將激光束移至激光束起點(diǎn)，繼續(xù)以線性掃描路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的方孔尺寸。重復(fù)上述過程，直至形成預(yù)成形的通孔。所成形孔具有錐度，這是由于皮秒激光能量高斯分布的特征及方形孔內(nèi)碎屑對激光的反作用能力所決定的。預(yù)成形中，激光輸出功率為8w，重復(fù)頻率為IOOkHz ;當(dāng)激光束以線性掃描路徑加工時，相鄰直線之間的間距為0.0lmm ;在逐層加工中，每層的加工深度為lOiim。第二步，消除預(yù)成形孔中的錐度。通過消除預(yù)成形孔中的錐度，使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的98%。采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預(yù)成形孔中的錐度。在消除預(yù)成形方孔中的錐度時，激光束自所述預(yù)成形方孔孔口處的內(nèi)表面開始，以線性掃描路徑加工所述預(yù)成形方孔孔口處的內(nèi)表面，使預(yù)成形方孔的尺寸達(dá)到成形孔尺寸的98%，完成第一層加工。將激光束移至預(yù)成形方形孔內(nèi)表面，繼續(xù)以線性掃描路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴(kuò)大至預(yù)定的尺寸。重復(fù)上述過程，直至消除預(yù)成形孔中的錐度，并使預(yù)成形方孔的孔徑達(dá)到成形方孔孔徑的98%。在消除預(yù)成形方孔中的錐度中，在預(yù)成形孔的孔壁形成氧化層，本實(shí)施例中，所述氧化層厚度為10 15iim。在消除預(yù)成形孔中的錐度時，激光輸出功率7w，重復(fù)頻率IOOkHz ;當(dāng)激光束螺旋狀路徑徑向加工時，相鄰螺旋線之間的間距為0.01mm;在逐層加工中，每層的加工深度為8 u m0第三步，成孔。對消除錐度的預(yù)成形方孔中進(jìn)行成孔的皮秒激光加工，并消除所述消除錐度的預(yù)成形方孔孔壁上的氧化層。在成孔中，激光束對所述消除錐度的預(yù)成形孔表面進(jìn)行逐層加工，光束自所述預(yù)成形方孔孔口處內(nèi)壁的氧化層表面開始，采用線性方形路徑切除孔壁，并去除所述預(yù)成形孔孔口處內(nèi)壁的氧化層，使所述預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成孔的要求，完成第一層加工。激光束沿所述預(yù)成形孔的軸向下移5 u m，繼續(xù)采用線性方形路徑切除孔壁，并去除所述預(yù)成形孔內(nèi)壁上的氧化層，完成第二層加工。重復(fù)上述過程，直至將所述預(yù)成形方孔的尺寸達(dá)到成孔的要求，得到皮秒激光加工成形的方孔。成孔加工中，激光輸出功率為311mw，重復(fù)頻率為32kHz ;在逐層加工中，每層的加工深度為5 ii m。步驟3，清洗。將得到的方孔置于酒精中超聲清洗試樣15min，去除表面及孔壁殘存碎屑。
權(quán)利要求
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(fù)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(fù)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(fù)合材料試樣進(jìn)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(jù)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(fù)頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復(fù)頻率的變化范圍為I 600kHz ;對試樣采用逐層去除方式進(jìn)行加工，加工頭轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/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(fù)合材料試樣表面上待加工孔的中心處，焦距為100mm; 對試樣進(jìn)行加工；所述加工過程分為三步: 第一步，預(yù)成形孔；所述預(yù)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(yù)成形孔中的錐度；采用沿所述預(yù)成形孔軸線方向逐層切除的方式消除預(yù)成形孔中的錐度，并通過消除預(yù)成形孔中的錐度，使預(yù)成形孔的孔徑達(dá)到成形孔孔徑的95 98% ； 第三步，成孔；對所述消除錐度的預(yù)成形孔表面進(jìn)行逐層加工，并消除所述消除錐度的預(yù)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 m ； 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。
2.如權(quán)利要求1所述一種碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的微加工方法，其特征在于，當(dāng)加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。
3.如權(quán)利要求1所述一種碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的微加工方法，其特征在于，當(dāng)加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。
全文摘要
一種利用皮秒激光加工孔的方法，根據(jù)纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)，結(jié)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(shí)現(xiàn)孔加工。本發(fā)明通過分布加工的方式，在碳化硅陶瓷基復(fù)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(wěn)定性較好，尤其適用于大批量重復(fù)性微孔加工。當(dāng)加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。當(dāng)加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。本發(fā)明具有加工工藝穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23K26/42GK103143841SQ20131007547
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者劉永勝, 張立同, 成來飛, 王春輝, 張青 申請人:西北工業(yè)大學(xué)