一种利用皮秒激光加工孔的方法技术

一种利用皮秒激光加工孔的方法，根据纤维复合材料的特点，结合皮秒激光极高的峰值功率使其对材料无选择性的加工特征，在CMC-SiC材料上实现孔加工。本发明专利技术通过分布加工的方式，在碳化硅陶瓷基复合材料上逐层加工出圆孔或方孔，加工中，无需考虑微小裂纹的影响，稳定性较好，尤其适用于大批量重复性微孔加工。当加工圆孔时，以螺旋状路径逐层加工。当加工方孔时，以线性扫描路径逐层加工。本发明专利技术具有加工工艺稳定性好、可设计性强、精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料加工领域，具体是一种利用皮秒激光在碳化硅陶瓷基复合材料上加工孔的方法
技术介绍
连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是一种新型战略性高温结构材料。与钛合金、高温合金和金属间化合物相比，CMC-SiC材料热膨胀系数更低，抗高低周期疲劳和抗热震疲劳更优异；同时具有耐烧蚀，抗冲刷，动态和静态摩擦系数高且摩擦系数对湿度不敏感等一系列优异性能。此外，CMC-SiC材料可以有效提高发动机的工作温度和降低结构重量，在高推重比航空发动机具有广泛的应用前景。但是，由于CMC-SiC材料硬度高(SiC硬度仅次于金刚石和立方氮化硼)，在使用中很难加工。目前采用特种金刚石刀具在制造过程中进行在线加工，解决了 CMC-SiC材料切害I]、打磨、抛光等基本加工技术问题，但加工成本高，加工效率低。另外，在实际应用过程中，经常需要加工微小冷却孔(〈O 1.0mm)以进一步提高CMC-SiC材料的使用温度和可靠性，如航空涡扇发动机叶片等构件，然而目前尚无法在CMC-SiC材料上加工小于O 2.0mm的孔，尤其是带角度的冷却孔，影响了 CMC-SiC材料的应用效果。因此，迫切需要采用新型加工技术，解决CMC-SiC材料孔加工问题。由于预制体是以纤维束的形式进行编制的，CVI制备的纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料具有显著的束结构显微特征(附图1)。研究表明，这种束结构特征使纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料表现出显著的非均匀复合材料效应，是纤维复合材料具有高性能的重要原因。美国专利(US5656186，US8171937)和欧洲专利(US2012196454)等已经专利技术了材料皮秒激光的加工方法，其通过选择合适的激光系统和加工参数对半导体材料和生物材料等进行加工，可以减少熔融区、热损伤及微裂纹的产生。但是，该方法不能完全适用于碳化娃陶瓷基复合材料的孔加工。Wenqian Hu等研究人员在Journal of ManufacturingScience and Engineering, 132,011009(2010)中发表的论文“Micromachining ofmetals, alloys, and ceramics by picosecond laser ablation，，中对皮秒激光孑L力口工SiC/SiC复合材料进行了简单的介绍。公开在Applied Physics A, (2012)的文章“Ultra-short pulse laser deep drilling of C/SiC composites in air，，中对超短脉冲孔加工C/SiC复合材料加工效果进行了简单分析。但是，两篇文章中均未涉及到具体的加工方式。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的尚无法在CMC-SiC材料上加工小于0 2.0mm的孔，尤其是带角度的冷却孔，影响了 CMC-SiC材料的应用效果的不足，本专利技术提出了，步骤1，试样表面清洗。将碳化硅陶瓷基复合材料切割为块状试样；在酒精浸泡下超声清洗试样15min ;干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基复合材料试样。步骤2，加工孔。所述的孔是圆形孔或方形孔；通过皮秒激光对碳化硅陶瓷基复合材料试样进行微加工。微加工中，皮秒激光波长为355 532nm，脉冲宽度为I 10ps，激光输出功率根据微加工的过程变化，其激光输出功率的变化范围为20mw 20w，激光重复频率根据微加工的过程变化，其激光重复频率的变化范围为I 600kHz。对试样采用逐层去除方式进行加工，加工头转速为1000转/秒。加工孔的具体过程是:使皮秒激光束通过物镜聚焦在碳化硅陶瓷基复合材料试样表面上待加工孔的中心处,焦距为100mm。对试样进行加工。所述加工过程分为三步:第一步，预成形孔。所述预成形孔的孔径为成形孔孔径的85 90%，采用逐层切除方式加工，直至贯通。第二步，消除预成形孔中的锥度。采用沿所述预成形孔轴线方向逐层切除的方式消除预成形孔中的锥度，并通过消除预成形孔中的锥度，使预成形孔的孔径达到成形孔孔径的95 98%。第三步，成孔。对所述消除锥度的预成形孔表面进行逐层加工，并消除所述消除锥度的预成形孔壁上的氧化层，得到成孔。加工中，相邻皮秒激光路径之间的间距为0.01 0.1mm ;每层的加工深度为5 20 μ m0步骤3，清洗:将得到的皮秒激光微加工成形的圆孔置于酒精中超声清洗试样15min,清除表面及孔壁残存碎屑。当加工圆孔时，以螺旋状路径逐层加工。当加工方孔时，以线性扫描路径逐层加工。本专利技术根据纤维复合材料的特点，结合皮秒激光极高的峰值功率使其对材料无选择性的加工特征，在CMC-SiC材料上实现孔加工。本专利技术的主要优点是:(I)适用于高深径比微孔的加工，成形质量好，加工成形后经过简单清洗后表面较光滑，无需其他的后续处理。附图2为本专利技术所成形的2DCVI C/SiC复合材料圆孔的SEM照片及所成形孔的纵向截面图，其中图2a为所成形孔的入口，图2b为所成形孔的出口，图2c为成形孔的纵向截面图。该孔的孔径为650 μ m,深度为3mm。从图2中能够看出，所成形的孔入口圆度为100%，出口圆度为94%。经清洗后，加工孔入口边缘无烧蚀。从图2c中可知，加工孔深度方向为较为规则柱形孔，孔内壁较光滑。(2)试样放置在加工平台上进行加工。加工可设计性好，可根据需要对微加工形状及尺寸设计和加工，更适用于加工孔径小于1.0mm的圆形孔和边长小于1.0mm方形孔。(3)复合材料表现出显著的非均匀复合材料效应加工。不用考虑微小裂纹的影响，稳定性较好，尤其适用于大批量重复性微孔加工。本专利技术能够对CMC-SiC材料进行圆孔或方形孔加工，具有加工工艺稳定性好、可设计性强、精度高等优点。附图说明附图1是CVI制备纤维编织体碳化硅陶瓷基复合材料的微结构特征。附图2是实施例1中加工的圆孔的微结构特征，其中，图2a是孔的入口 ；图2b是孔的出口，图2c是圆孔的轴向截面图。附图3是实施例2中加工方孔的微结构特征。附图4是本专利技术的流程图。具体实施例方式实施例1本实施例提出的成形圆孔的方法适用于碳化硅陶瓷基复合材料，本实施例中仅以C/SiC复合材料试样为例说明。所成形孔的直径为650 u m。本实施例中,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。本实施例的具体过程是:步骤1，试样表面清洗。将2D CVI C/SiC复合材料切割为20mmX IOmmX 3mm的矩形块状试样，然后在酒精浸泡下超声清洗试样15min去除表面灰尘油污等杂质，最后用烘干箱进行干燥，得到清洗后的试样。步骤2，加工孔。通过皮秒激光对2D CVI C/SiC复合材料试样进行微加工。加工中，皮秒激光波长为355 532nm，脉冲宽度为I 10ps，激光输出功率根据微加工的过程变化，其激光输出功率的变化范围为20mw 20w，激光重复频率根据微加工的过程变化，其激光重复频率的变化范围为I 600kHz。对试样采用逐层去除方式进行旋切圆孔加工，力口工头转速为1000转/秒。本实施例中，皮秒激光波长为532nm，脉冲宽度为6.8ps，激光输出功率的变化范围为311mw 19.5w，激光重复频率的变化范围为32 400kHz。具体过程是:将清洗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用皮秒激光加工孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，试样表面清洗；将碳化硅陶瓷基复合材料切割为块状试样；在酒精浸泡下超声清洗试样15min；干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基复合材料试样；步骤2，加工孔；所述的孔是圆形孔或方形孔；通过皮秒激光对碳化硅陶瓷基复合材料试样进行微加工；微加工中，皮秒激光波长为355～532nm，脉冲宽度为1～10ps，激光输出功率根据微加工的过程变化，其激光输出功率的变化范围为20mw～20w，激光重复频率根据微加工的过程变化，其激光重复频率的变化范围为1～600kHz；对试样采用逐层去除方式进行加工，加工头转速为1000转/秒；加工孔的具体过程是：使皮秒激光束通过物镜聚焦在碳化硅陶瓷基复合材料试样表面上待加工孔的中心处，焦距为100mm；对试样进行加工；所述加工过程分为三步：第一步，预成形孔；所述预成形孔的孔径为成形孔孔径的85～90%，采用逐层切除方式加工，直至贯通；第二步，消除预成形孔中的锥度；采用沿所述预成形孔轴线方向逐层切除的方式消除预成形孔中的锥度，并通过消除预成形孔中的锥度，使预成形孔的孔径达到成形孔孔径的95～98%；第三步，成孔；对所述消除锥度的预成形孔表面进行逐层加工，并消除所述消除锥度的预成形孔壁上的氧化层，得到成孔；加工中，相邻皮秒激光路径之间的间距为0.01～0.1mm；每层的加工深度为5～20μm；步骤3，清洗：将得到的皮秒激光微加工成形的圆孔置于酒精中超声清洗试样15min，清除表面及孔壁残存碎屑。...

【技术特征摘要】
1.一种利用皮秒激光加工孔的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，试样表面清洗；将碳化硅陶瓷基复合材料切割为块状试样；在酒精浸泡下超声清洗试样15min ;干燥后得到清洗后的碳化硅陶瓷基复合材料试样； 步骤2，加工孔；所述的孔是圆形孔或方形孔；通过皮秒激光对碳化硅陶瓷基复合材料试样进行微加工；微加工中，皮秒激光波长为355 532nm，脉冲宽度为I lOps，激光输出功率根据微加工的过程变化，其激光输出功率的变化范围为20mw 20w，激光重复频率根据微加工的过程变化，其激光重复频率的变化范围为I 600kHz ;对试样采用逐层去除方式进行加工，加工头转速为1000转/秒； 加工孔的具体过程是:使皮秒激光束通过物镜聚焦在碳化硅陶瓷基复合材料试样表面上待加工孔的中心处，焦距为100mm; 对试样进行加工；所述加工过程分为三步: 第一步，预成形孔；所述预成...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永胜，张立同，成来飞，王春辉，张青，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：