一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法技术

本发明专利技术提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，使用超短脉冲激光器产生激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入金属粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；步骤S3，使用短脉冲激光器产生激光脉冲，对所述填入金属粉末的复合材料表面进行扫描辐照，直到金属粉末全部重熔；步骤S4，判断加工表面是否还存在凸出的陶瓷颗粒，若是，转到步骤S2，若否，结束刻蚀加工。本发明专利技术可以降低陶瓷颗粒增强金属基复合材料加工表面粗糙度，提高加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法
本专利技术涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工，属于先进制造

技术介绍
复合材料作为我国目前新材料发展的重点，金属基陶瓷颗粒增强复合材料以其低成本、优异性能被认为是最具前途的复合材料，目前主要在航天航空、电子封装及汽车动力装置领域应用。但是，传统刀具及电火花加工存在一定问题且对复杂构件加工存在局限性，于是限制了该种材料的商业化推广。脉冲激光加工，具有非接触式加热和快速冷却特点，瞬时功率大，能量密度高，与材料作用时间短，热影响小，加工精度和柔性较其它加工手段具有明显优势。目前使用脉冲激光对均质材料的加工已基本成熟。但是，由于复合材料中基体与增强相热学、光学性质存在差异，金属基体与陶瓷颗粒在脉冲激光刻蚀中表现出不同的刻蚀行为和刻蚀速率，使得刻蚀表面凹凸不平。脉冲激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的均匀精密刻蚀加工还难以实现。研究发现，超短脉冲激光（脉宽<10ps）可直接气化材料，刻蚀陶瓷颗粒增强金属基复合材料后，刻蚀表面变粗糙，颗粒凸出、基体凹陷，但基体与颗粒间几乎无冶金反应（H.Z.Zhang,H.Y.Wang,F.F.Liu,L.Wang.InvestigationonfemtosecondlaserablativeprocessingofSiCp/AA2024composites.JournalofManufacturingProcess,2020,49:227-233）。短脉冲激光（脉宽>10ps,一般指纳秒脉冲激光）作用下材料经历熔化、气化过程，作用陶瓷颗粒增强金属基复合材料后，基体与颗粒间存在热相互作用，陶瓷颗粒相对基体升温快，将热量传递给基体，金属基体熔点低，先发生熔化（HuanzhenZhang,ChunyuanZhang,HuayingWang,FeifeiLiu.AblationbehaviorofSiCp/AA2024compositesirradiatedbyasingle-pulsenanosecondlaser.OpticsandLaserTechnology,2020,126:106075）。可见不同脉宽脉冲激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有不同的作用效果，脉冲激光刻蚀加工陶瓷颗粒增强金属基复合材料是一个复杂的过程。由此，脉冲激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料精密加工的实现，需要一种新的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，使得刻蚀表面平整、粗糙度降低。本专利技术的技术方案如下。本专利技术提供了一种用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，使用超短脉冲激光器产生激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入金属粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；步骤S3，使用短脉冲激光器产生激光脉冲，对所述填入金属粉末的复合材料表面进行扫描辐照，直到金属粉末全部重熔；步骤S4，判断加工表面是否还存在凸出的陶瓷颗粒，若是，转到步骤S2，若否，结束刻蚀加工。优选的，所述陶瓷颗粒增强金属基复合材料的加工表面为水平面，所述超短脉冲激光与短脉冲激光的激光光束垂直加工表面。优选的，所述步骤S1使用所述超短脉冲激光的脉冲能量密度最低值可实现对金属基体的刻蚀，使用所述超短脉冲激光的脉冲能量密度最高值可实现对金属基体及陶瓷颗粒的刻蚀。优选的，所述步骤S1所用超短脉冲激光的脉冲能量密度过高，在刻蚀表面的陶瓷颗粒上产生孔洞或在陶瓷颗粒间隙、金属基体位置处产生孔洞，该脉冲能量密度不适用于本法。优选的，所述步骤S1刻蚀后的复合材料表面形貌特征为：表层陶瓷颗粒凸起、金属基体凹陷，表层陶瓷颗粒呈现镶嵌貌。优选的，所述步骤S2中填入的金属粉末与所加工的陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的金属基体为同一种化学组份材料。优选的，所述的粗糙刻蚀表面为步骤S1加工后的表面。优选的，所述步骤S3中使用所述短脉冲激光的脉冲能量密度不能过高，仅实现金属粉末熔化即可。通过采用以上技术方法，本专利技术对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行复合脉冲激光加工，利用超短脉冲激光制造无物质重凝、无冶金反应的复合材料粗糙刻蚀表面，利用短脉冲激光热效应使金属粉末重熔并填充凹凸不平表面，达到提高加工表面平整度，降低表面粗糙度，提高脉冲激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的加工精度目的。附图说明图1是超短脉冲激光扫描刻蚀陶瓷颗粒增强金属基复合材料后的粗糙刻蚀表面形貌示意图。图2是陶瓷颗粒增强金属基复合材料粗糙刻蚀表面填入金属粉末后的表面效果示意图。图3是短脉冲激光对填入金属粉末的表面重熔后效果示意图。具体实施方式下面结合附图及本专利技术的具体实施例，进一步对本专利技术的技术方案及技术效果进行说明。实施例1本实施例提供一种用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，使用超短脉冲激光器产生激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入金属粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；步骤S3，使用短脉冲激光器产生激光脉冲，对所述填入金属粉末的复合材料表面进行扫描辐照，直到金属粉末全部重熔；步骤S4，判断加工表面是否还存在凸出的陶瓷颗粒，若是，转到步骤S2，若否，结束刻蚀加工。在一优选的实施方式中，所述步骤S2中填入的金属粉末平均粒径小于所述陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的陶瓷颗粒平均直径，同时小于所述的粗糙刻蚀表面的粗糙度。大体上说，一方面，所述的粗糙刻蚀表面粗糙度跟陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒大小相关，陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒越大，同样加工参量条件下，粗糙刻蚀表面粗糙度越大。另一方面，超短脉冲激光在陶瓷颗粒增强金属基复合材料单位面积辐照的脉冲数越多，所述粗糙刻蚀表面粗糙度越大。本领域的技术人员能够理解，虽然上述技术方案中并未对填入金属粉末平均粒径做具体限定，但是为了保证填入金属粉末后粗糙刻蚀表面变得平整，一般填入的金属粉末平均粒径应小于陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒的平均直径。在一优选的实施方式中，所述步骤S2中填入的金属粉末可通过机械振动方式促进金属粉末在陶瓷颗粒间隙填充，并最终保证填充表面平整性。在一优选的实施方式中，所述步骤S1及S3中的脉冲对材料扫描刻蚀、扫描辐照的方式一般指由点到线、线线成面的过程。本领域的技术人员能够理解，所述扫描刻蚀、扫描辐照加工中相邻脉冲在材料上辐照的光斑区域存在部分重叠，按照这样的方式，点点移动扫描成线。所述扫描刻蚀、扫描辐照加工中相邻扫描线之间亦存在部分重叠，按照这样的方式，线线移动扫描成面。最终完成加工区的扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，该方法包括以下步骤:/n步骤S1，使用超短脉冲激光器产生激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；/n步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入金属粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；/n步骤S3，使用短脉冲激光器产生激光脉冲，对所述填入金属粉末的复合材料表面进行扫描辐照，直到金属粉末全部重熔；/n步骤S4，判断加工表面是否还存在凸出的陶瓷颗粒，若是，转到步骤S2，若否，结束刻蚀加工。/n

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，该方法包括以下步骤:
步骤S1，使用超短脉冲激光器产生激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；
步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入金属粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；
步骤S3，使用短脉冲激光器产生激光脉冲，对所述填入金属粉末的复合材料表面进行扫描辐照，直到金属粉末全部重熔；
步骤S4，判断加工表面是否还存在凸出的陶瓷颗粒，若是，转到步骤S2，若否，结束刻蚀加工。


2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强金属基复合材料复合脉冲激光加工方法，其特征在于，所述步骤S1结束后，陶瓷颗粒增强金属基复合材料的刻蚀表面呈现陶瓷颗粒凸显、基体凹陷的形貌，且颗粒上、颗粒间隙无刻蚀孔洞。

【专利技术属性】
技术研发人员：张寰臻，王永刚，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河北;13