[發明專利]一種利用皮秒激光加工孔的方法

有效

• 申請號: 201310075471.4
• 申請日: 2013-03-08
• 公開（公告）號: CN103143841A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 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
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/42
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明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?

背景技術

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材料切割、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（<Φ1.0mm）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Φ2.0mm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）等已經發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硅陶瓷基復合材料的孔加工。Wenqian?Hu等研究人員在Journal?of?Manufacturing?Science?and?Engineering,132,011009(2010)中發表的論文“Micromachining?of?metals,alloys,and?ceramics?by?picosecond?laser?ablation”中對皮秒?激光孔加工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。?

發明內容

為克服現有技術中存在的尚無法在CMC-SiC材料上加工小于Φ2.0mm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，本發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。?