專利名稱：一種利用皮秒激光加工孔的方法
技術領域：
本發(fā)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(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(CMC-SiC)是一種新型戰(zhàn)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(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)動機的工作溫度和降低結構重量，在高推重比航空發(fā)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材料切害I]、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(〈O 1.0mm)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(fā)動機葉片等構件，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(xiàn)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(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)對半導體材料和生物材料等進行加工，可以減少熔融區(qū)、熱損傷及微裂紋的產生。但是，該方法不能完全適用于碳化娃陶瓷基復合材料的孔加工。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(fā)明內容
為克服現(xiàn)有技術中存在的尚無法在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，激光重復頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 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 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。
當加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。
當加工方孔時，以線性掃描路徑逐層加工。
本發(fā)明根據(jù)纖維復合材料的特點，結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材料上實現(xiàn)孔加工。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是:(I)適用于高深徑比微孔的加工，成形質量好，加工成形后經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，加工孔深度方向為較為規(guī)則柱形孔，孔內壁較光滑。(2)試樣放置在加工平臺上進行加工。加工可設計性好，可根據(jù)需要對微加工形狀及尺寸設計和加工，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)復合材料表現(xiàn)出顯著的非均勻復合材料效應加工。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性微孔加工。
本發(fā)明能夠對CMC-SiC材料進行圓孔或方形孔加工，具有加工工藝穩(wěn)定性好、可設計性強、精度高等優(yōu)點。


附圖1是CVI制備纖維編織體碳化硅陶瓷基復合材料的微結構特征。附圖2是實施例1中加工的圓孔的微結構特征，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是實施例2中加工方孔的微結構特征。附圖4是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式實施例1本實施例提出的成形圓孔的方法適用于碳化硅陶瓷基復合材料，本實施例中僅以C/SiC復合材料試樣為例說明。所成形孔的直徑為650 u m。本實施例中,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。本實施例的具體過程是:步驟1，試樣表面清洗。將2D CVI C/SiC復合材料切割為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，最后用烘干箱進行干燥，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復合材料試樣進行微加工。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，激光重復頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進行旋切圓孔加工，力口工頭轉速為1000轉/秒。本實施例中，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的加工平臺上，并使皮秒激光束通過物鏡聚焦在C/SiC復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復合材料試樣上加工孔。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%，采用沿所述預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，通過皮秒激光將C/SiC復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大至預定的孔徑。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，直至第二層逐漸擴大至預定的孔徑。重復上述過程，直至形成預成形的通孔。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碎屑對激光的反作用能力所決定的。預成形中，激光輸出功率為19.5w,重復頻率為400kHz ;當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，消除預成形孔中的錐度。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%。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。在消除預成形孔中的錐度時，激光束自所述預成形孔孔口處的內表面開始，以螺旋狀路徑切除的所述預成形孔孔口處的內表面，使預成形孔的孔徑達到成形孔孔徑的95%，完成第一層加工。將激光束移至預成形孔內表面，繼續(xù)以螺旋狀路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴大至預定的孔徑。重復上述過程，直至消除預成形孔中的錐度，并使預成形孔的孔徑達到成形孔孔徑的95%。在消除預成形孔中的錐度中，在預成形孔的孔壁形成氧化層，本實施例中，所述氧化層厚度為20 30 μ m。
在消除預成形孔中的錐度時，激光輸出功率17.5w，重復頻率400kHz ;當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。對消除錐度的預成形孔中進行成孔的皮秒激光微加工，并消除所述消除錐度的預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成形孔表面進行逐層加工，光束自所述預成形孔孔口處內壁的氧化層表面開始，采用環(huán)形方式切除孔壁，并去除所述預成形孔孔口處內壁的氧化層，使所述預成形孔的孔徑達到成孔的要求，完成第一層加工。激光束沿所述預成形孔的軸向下移5 μ m，繼續(xù)采用環(huán)形方式切除孔壁，并去除所述預成形孔內壁上的氧化層，完成第二層加工。重復上述過程，直至將所述預成形孔的孔徑達到成孔的要求，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。
實施例2
本實施例提出的成形方孔的方法適用于碳化硅陶瓷基復合材料，本實施例中僅以SiC/SiC復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。
本實施例的具體過程是:
步驟1，試樣表面清洗。將2D CVI C/SiC復合材料切割為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，最后用烘干箱進行干燥，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，激光重復頻率根據(jù)孔加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 600kHz。對試樣采用逐層去除方式進行線性掃描方形孔加工，掃描速度為1000mm/S。本實施例中，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的加工平臺上，并使皮秒激光束通過物鏡聚焦在C/SiC復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復合材料試樣上加工孔。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方孔尺寸的90%，采用沿所述預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，通過皮秒激光將C/SiC復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大至預定的方形孔尺寸。將激光束移至激光束起點，繼續(xù)以線性掃描路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴大至預定的方孔尺寸。重復上述過程，直至形成預成形的通孔。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碎屑對激光的反作用能力所決定的。預成形中，激光輸出功率為8w，重復頻率為IOOkHz ;當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，消除預成形孔中的錐度。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98%。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。在消除預成形方孔中的錐度時，激光束自所述預成形方孔孔口處的內表面開始，以線性掃描路徑加工所述預成形方孔孔口處的內表面，使預成形方孔的尺寸達到成形孔尺寸的98%，完成第一層加工。將激光束移至預成形方形孔內表面，繼續(xù)以線性掃描路徑加工第二層，直至第二層逐漸擴大至預定的尺寸。重復上述過程，直至消除預成形孔中的錐度，并使預成形方孔的孔徑達到成形方孔孔徑的98%。在消除預成形方孔中的錐度中，在預成形孔的孔壁形成氧化層，本實施例中，所述氧化層厚度為10 15iim。在消除預成形孔中的錐度時，激光輸出功率7w，重復頻率IOOkHz ;當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。對消除錐度的預成形方孔中進行成孔的皮秒激光加工，并消除所述消除錐度的預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成形孔表面進行逐層加工，光束自所述預成形方孔孔口處內壁的氧化層表面開始，采用線性方形路徑切除孔壁，并去除所述預成形孔孔口處內壁的氧化層，使所述預成形孔的孔徑達到成孔的要求，完成第一層加工。激光束沿所述預成形孔的軸向下移5 u m，繼續(xù)采用線性方形路徑切除孔壁，并去除所述預成形孔內壁上的氧化層，完成第二層加工。重復上述過程，直至將所述預成形方孔的尺寸達到成孔的要求，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，激光重復頻率根據(jù)微加工的過程變化，其激光重復頻率的變化范圍為I 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 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.如權利要求1所述一種碳化硅陶瓷基復合材料的微加工方法，其特征在于，當加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。
3.如權利要求1所述一種碳化硅陶瓷基復合材料的微加工方法，其特征在于，當加工方孔時，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)纖維復合材料的特點，結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性微孔加工。當加工圓孔時，以螺旋狀路徑逐層加工。當加工方孔時，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、可設計性強、精度高等優(yōu)點。
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