[发明专利]一种利用皮秒激光加工孔的方法

说明书

技术领域

本发明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 

背景技术

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材料切割、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（<Φ1.0mm）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Φ2.0mm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）等已经发明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硅陶瓷基复合材料的孔加工。Wenqian Hu等研究人员在Journal of Manufacturing Science and Engineering,132,011009(2010)中发表的论文“Micromachining of metals,alloys,and ceramics by picosecond laser ablation”中对皮秒 激光孔加工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。 

发明内容

为克服现有技术中存在的尚无法在CMC-SiC材料上加工小于Φ2.0mm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，本发明提出了一种利用皮秒激光加工孔的方法， 

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。