SiC∕SiC复合材料纳秒激光和皮秒激光制孔质量的对比研究

《SiC∕SiC复合材料纳秒激光和皮秒激光制孔质量的对比研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、钐论坛FORUMSiC／SiC复合材料纳秒激光和皮秒激光制孔质量的对比研究米蔡敏，张晓兵，张伟，纪亮，焦佳能，邱海鹏(1．中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024；2．中航复合材料有限责任公司，北京101300)【摘要】采用纳秒激光和皮秒激光在厚度3mm的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC／SiC)上进行了制孔试验，并对这两种不同脉冲宽度激光制孔的质量进行了分析。结果表明：纳秒激光在SiC／SiC复合材料上制孔存在热影响区，导致加工区域附近产生重铸物、分层、热影响区和微裂纹等热缺陷。与纳秒激光制孔相

2、比，皮秒激光在SiC／SiC复合材料上制孔质量有明显提高，加工区域附近几乎不存在热影响区，且不存在重铸物、分层、微裂纹等缺陷。关键词：纳秒激光：皮秒激光：激光制孔DOI：10．16080／j．issnl67l-833x．2016．19．052蔡敏北京科技大学材料科学与工程专业硕士，就职于北京航空制造工程研究所，主要从事激光加工技术研究．研究方向主要包括激光制孔、表面微纳加工、异型孔加工等。}基金项目：航空基金项目(2015ZE25018)。52航空制造技术·2016年第19期复合材料具有质轻、高强度、高模量、抗疲劳

3、、耐腐蚀、阻尼减振性好、破损安全性好、可优化设计及成型工艺性好等一系列优点，在航空航天等领域应用比例逐渐上升，已成为飞行器和航空发动机构件最主要的材料之一⋯。陶瓷基复合材料不但具有高比强度、高比模量、耐腐蚀特性，而且耐高温性能优良，在航空航天领域，尤其是作为发动机热结构材料的应用前景非常广阔12-310随着复合材料的广泛应用，对其质量的要求也在不断提高。由于当前制备水平的限制，复合材料构件需要进行大量切割和制孑L等去除性加工，构件的加工精度和表面质量等因素已经成为影响其使用性能、可靠性和使用寿命的重要因素。由于陶瓷

4、基复合材料的硬度大，切削加工使复合材料的性能更差，易产生缺陷、刀具磨损更严重等问题，已成为目前陶瓷基复合材料研究和应用所面临的一项亟待解决的难题f4l。激光以其非接触加工、高能量密度等特点在高强度复合材料的去除性加工领域具有显著优势，尤其在提高加工精度以及降低加工成本等方面最为突出。目前激光加工复合材料普遍采用连续激光或长脉冲激光，其与材料交互作用过程中产生强烈热效应，将在加工区域产生热影响区、分层、撕裂等危害性加工缺陷口蛔。超短脉冲激光在与材料交互作用过程中，能够将其全部能量瞬间注入到极小的区域，可以避免激光线性

5、吸收、能量转移和扩散等因素影响，极大限制甚至避免热效应的产生【”。然而，由于超短脉冲激光与材料相互作用过程的复杂性，加工过程中对材料的去除特征、规律仍不明确。因此，需要对超短脉冲激光对陶瓷基复合材料去除特征和规律开展深人系统的研究工作，来揭示超短脉冲激光去除陶瓷基复合材料机制，从而进一步推动超短脉冲激光在陶瓷基复合材料制孔方面的工程化应用。为此，本文利用脉冲宽度分别为lOOns和2．1ps的脉冲激光，以SiC／SiC复合材料为研究对象，分别研究了纳秒激光和皮秒激光对SiC／SiC复合材料的制孔形貌特征，对比分析了组

6、织缺陷和形成原因，在此基础上，探讨了两种激光的去除机制。试验方法本试验所选用的材料为中航复合材料有限责任公司提供的SiC／SiC复合材料，复合材料试样尺寸为20ramX10ramX3ram。纳秒激光制孑L试验采用了50W半导体激光侧面端泵激光器，输出激光参数为脉宽lOOns，重复频率为5-20kHz可调，波长为1060nm。皮秒激光制孔试验选取了皮秒激光扫描加工平台，皮秒激光器输出平均功率20W，激光脉宽为2．1ps，波长为1030nm。激光制孔样品首先经过超声波清洗去除表面附着物；然后采用传统金相磨抛方式对试样进

7、行磨抛处理；最后，采用EVO—18扫描电子显微镜(SEM)对试样表面和剖面组织结构进行显微组织观察和成像，并采用x射线能谱仪(EDS)对材料的成分进行分析。试验结果1纳秒激光制孔分析图l为采用纳秒激光在厚度为3ram的SiC／SiC复合材料上制孔的显微组织照片。图1(a)为采用纳秒激光制孑L后人孔的显微组织形貌。结果显示，纳秒激光制孑L后入口处有白色熔化重铸物，厚度约为215uIll，且孔的圆整度较差。图1(b)为图1(a)A位置处放大的显微组织照片。结果显示，孔边缘有明显的黑色烧蚀区域，且边缘存在白色熔化重铸物。

8、图2为采用纳秒激光制孔后孑L的纵剖面显微组织照片。结果显示：孔具有一定的锥度，孔内壁有白色熔化重铸物附着在孔内壁，且孑L的纵剖面边缘平直度较差，呈锯齿状，存在一定宽度的热影响区，如图2(a)所示。图2(b)为图2(a)B位置处放大的扫描电镜照片，可以看出孔边缘有裸露的碳化硅纤维，陶瓷基体和碳化硅纤维存在一定程度的剥离，表面还存在微裂纹等缺陷。图2(C)为图2