[發明專利]一種超聲輔助激光拋光陶瓷基復合材料的方法

在審

• 申請號: 202010567580.8
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111716005A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 梅雪松;張勇;凡正杰;劉斌;運俠倫;崔健磊;王文君;孫錚
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/356;B23K26/354
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種超聲輔助激光拋光陶瓷基復合材料的方法，先將SiC陶瓷基復合材料的加工樣片表面研磨拋光，超聲清洗；再將加工樣片固定在超聲輔助激光拋光加工裝置上，移動平臺使激光聚焦到起始加工位置；設置激光參數、振鏡掃描參數、超聲振動參數和XYZ高精密移動平臺的運動參數，打開飛秒激光器和超聲發生器，用調好的參數進行加工樣片的超聲輔助激光拋光加工；拋光完成后，對加工樣片再次進行超聲清洗；本發明將激光與超聲兩種加工方法相結合，充分利用了超聲波的聲流、空化等效應，解決了激光拋光過程中因等離子效應和顆粒粘附效應產生的重鑄層、表面裂紋等缺陷的問題，優化了激光加工的進程，提高了材料去除率和拋光表面質量。

技術領域

本發明涉及陶瓷基復合材料激光加工技術領域，具體涉及一種超聲輔助激光拋光陶瓷基復合材料的方法。

背景技術

SiC陶瓷基復合材料具有耐高溫、低密度、高強度、高硬度、抗腐蝕等優點，被廣泛用于高溫和一些苛刻的環境中，尤其在航空航天飛行器上需要承受極高溫度的特殊部位具有很大的應用潛力。由于該材料的多層編制結構和超高硬度，傳統的加工方式已經難以滿足高精度拋光表面的需求。

與傳統加工方式相比，激光加工技術具有加工效率高、熱影響區小、非接觸加工等優勢，可以實現材料表面的高精度加工。然而，直接對材料表面進行激光拋光加工具有以下缺陷：(1)激光拋光時，一方面由于等離子云對激光的屏蔽、散射效應，直接影響了激光的傳輸效率，不利于拋光表面的材料去除；(2)另一方面，激光拋光表面的顆粒粘附效應，導致氣化物質和殘留物難以排出，極易在材料表面進行二次沉積，形成重鑄層；(3)此外，等離子再加熱效應也會導致加工表面產生表面裂紋、界面裂紋等問題，得到的拋光表面質量較差。

超聲加工技術基于超聲波的聲流、空化、機械等效應，廣泛用于硬脆材料的加工，具有加工精度高、熱影響區小、無污染等優點，但單純的超聲加工效率較低，加工成本很高。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種超聲輔助激光拋光陶瓷基復合材料的方法，將激光與超聲兩種加工方法相結合，基于超聲波與介質的相互作用，優化了激光加工的進程，削弱了等離子云對激光的屏蔽、散射效應，降低了拋光表面的顆粒粘附效應，有利于加工過程中熔融材料的流動和排出，提高了材料去除率和拋光表面質量，進而獲得無表面裂紋、無重鑄層等缺陷的高質量表面。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種超聲輔助激光拋光陶瓷基復合材料的方法，包括以下步驟：

1)將SiC陶瓷基復合材料的加工樣片表面研磨拋光，放置在有機溶劑中超聲清洗10～15分鐘；

2)風干后將加工樣片固定在超聲輔助激光拋光加工裝置上，超聲輔助激光拋光加工裝置包括激光加工系統、XYZ高精度移動平臺、超聲振動輔助裝置和夾具；激光加工系統的激光照射在加工樣片上，加工樣片通過夾具固定在超聲振動輔助裝置上，超聲振動輔助裝置安裝在XYZ高精度移動平臺上；

所述的激光加工系統包括飛秒激光器1，飛秒激光器1發出的激光依次經過反射鏡2、擴束鏡3、光闌4、振鏡5、場鏡6后作用在加工樣片上，進行加工樣片的拋光加工；所述的XYZ高精度移動平臺包括XY移動平臺10和Z移動平臺11，能夠實現在X軸方向、Y軸方向和Z軸方向上的精確移動；所述的超聲振動輔助裝置包括超聲發生器12、超聲換能器9和超聲變幅桿8，超聲變幅桿8上方通過夾具7固定加工樣片，超聲變幅桿8安裝在XY移動平臺10上，XY移動平臺10上安裝有超聲換能器9、超聲發生器12，超聲振動頻率為20kHz，振幅為10μm～30μm；

3)通過計算機14分別控制飛秒激光器1的激光參數、振鏡5的圖形掃描和XYZ高精度移動平臺的移動；

4)通過計算機14調節飛秒激光器1的輸出激光波長為1030nm，脈寬為240fs，單脈沖能量為100μJ～200μJ，重復頻率為20kHz～100kHz；利用計算機14控制飛秒激光器1的激光通斷；