超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料制孔研究

超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料制孔研究
刘瑞军袁桓恒袁赵晨曦袁王瀚寰袁李光泽
渊中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司袁辽宁沈阳110043冤
摘要院陶瓷基复合材料由于能够提高零件的耐高温和推重比等性能袁适用于航天发动机热端部件袁但由于在传统加工过程中易出现崩边尧层间撕裂等缺陷袁且无法实现微孔加工限制了其使用遥通过选择飞秒级超短脉冲激光加工制备陶瓷基复合材料微孔袁探索加工方案尧优化工艺参数袁对加工后的表面完整性进行评价袁确定了超短脉冲激光微孔加工孔径范围尧几何精度及表面质量袁有助于解决陶瓷基复合材料微孔加工难题遥
关键词院陶瓷基复合材料曰表面完整性曰烧蚀阈值曰飞秒级曰超短脉冲激光
中图分类号院TG665
文献标志码院A
文章编号院1009原279X渊2019冤02原0055-04
Study on Micropore Preparation of Ceramic Matrix Composites by Ultra-short
Pulse Laser Processing
LIU Ruijun袁HUAN Heng袁ZHAO Chenxi袁WANG Hanhuan袁LI Guangze
渊AECC Shenyang Liming AERO-ENGINE Co.,Ltd.袁Shenyang 110043袁China 冤
Abstract 院Because of its contribution in high temperature resistance and thrust weight ratio袁the ceramic matrix composites are suitable for use in aerospace engines.However袁the application of ceramic matrix composites is limited due to the defects such as chipping and interlaminar tearing in traditional processing袁as well as its unablity to micro-hole machining.Firstly袁the femtosecond ultra-short pulse laster is used to process micro -hole of ceramic matrx composites.Then袁the processing scheme and parameters is optimized and the surface integrity after processing is evaluated.Finally袁the aperture range袁geometric accuracy and surface quality by ultra -short pulse laser machining is
confirmed袁which helps to solve the problem in ceramic matrix composites micropore machining.
Key words 院ceramic matrix composites曰uface integrity曰abiation threshold曰femtosecond曰ultra-short pulse laser
收稿日期院2019-01-09
第一作者简介院刘瑞军袁男袁1981年生袁高级工程师遥
陶瓷基复合材料是一种新型热结构材料袁具备航空发动机用结构材料的高强度尧高刚度和轻质量的性能要求袁是制造现代高性能飞机的重要材料遥欧美国家在高性能运输机和战斗机上越来越重视应用陶瓷基复合材料替代某些高温合金结构件袁以达到提高性能并减轻重量的目的遥
航空发动机热端部件由于特殊的工况限定袁多以微孔结构实现气膜冷却袁以降低零件表面温度尧提高疲劳寿命遥由于陶瓷基复合材料的弱导电性袁加工微孔现行工艺已无法满足制造需求袁需要一种替代工艺实现高精度尧高表面质量要求袁超短脉冲激光加工技术逐渐被行业所关注遥
超短脉冲激光设备是由激光器发出高功率超短超快脉冲激光袁通过复合光束扫描机构高速旋转扫描袁由光学组件把激光束直接聚焦在工件表面袁以直写的方式在各种材料上实现多种形状特征加工袁最大程度降低材料基体及表面损伤袁能够提高航空发动机热端零件特定结构的表面完整性袁提升零件使用寿命遥
1陶瓷基复合材料切割验证
1.1切割试验与效果
采用长脉冲激光尧超短脉冲激光尧电火花线切割尧水射流切割四种工艺进行复合材料切割试验袁论证不同工艺加工材料表面状态及质量评估袁切割断口表面实物状态见图1袁扫描电镜检测见图2[1]遥
55要要
元素切割前
切割后
重量百分比原子百分比重量百分比原子百分比C渊K冤
41.7160.3734.58
52.46
O渊K冤
7.60
8.26
10.43
11.88
Si渊K冤
50.6931.3754.99
35.67
总量100.00100.00100.00100.00
表1陶瓷基复合材料超短脉冲激光切割
前后表面成分检测数据
%
由以上两图可见院长脉冲激光加工断口表面氧化及过烧袁加工效率高袁存在热影响尧微裂纹缺陷曰电火花线切割效率极低袁同样存在热影响与微裂纹缺陷曰水射流切割由于水压冲蚀袁导致大量SiC 粉末被水流带走袁致使孔洞增大袁甚者会导致零件失效曰超短脉冲激光切割可通过偏焦加工解决过烧问题袁表面未见明显微裂纹遥通过四种工艺方法切割陶瓷基复合材料论证袁可判定超短脉冲激光对材料损伤程度最小遥
1.2表面成分分析
对飞秒级超短脉冲激光切割的陶瓷基复合材料前后表面成分检测分析袁指定区域重复检测获得结果袁微观图像与EDS 能谱见图3袁表面成分检测数据见表1遥
采用飞秒级超短脉冲激光可实现切割几何量前提下袁最小7W 功率形成陶瓷基复合材料加工断面遥EDS 能谱分析结果显示袁加工前陶瓷基复合材料氧含量占比为8.26%袁加工后氧含量为11.88%袁这表明飞秒级超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料
存在弱氧化现象遥从加工过程功率控制尧表面状态及成分分析上判定袁随着功率的增加袁C 和Si 逐渐
被氧化袁形成气态CO x 和固态SiO X [2]遥所以袁寻求最
小功率以实现加工状态要求是选用超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料的重要前提条件遥
2皮秒级超短脉冲激光加工陶瓷基复材气膜孔
2.1一步打穿验证
一步打穿验证是针对不同孔径袁在2mm 复材试片上通过调整单步加工的不同功率袁实现以最小功率一次加工将孔打穿的试验遥最小功率的选用会导致孔的圆柱度误差增大袁通过打穿后改变排屑方向袁使之在精加工修整时可实现圆柱孔成形袁提升表面质量遥
通过参数调试发现袁无论是提升单脉冲能量还是调整加工时间袁皮秒加工直径0.5mm 以下的孔均不能实现一步打穿遥如图4所示的三维及二维视图可见袁由于孔径小尧空间狭窄袁
残屑无法及时排出
渊a冤长脉冲激光切割渊b冤
超短脉冲激光切割
渊c冤电火花线切割
渊d冤水射流切割
图1
四种工艺方法切割复材断口表面实物图
渊a冤长脉冲激光切割渊b冤
超短脉冲激光切割
渊c冤电火花线切割渊d冤水射流切割断口
图2四种工艺方法切割复材断口扫描电镜图
渊b冤切割后
图3陶瓷基复合材料超短脉冲激光切割前后
表面成分检测图谱
2mm
谱图1
1
23456
渊a冤切割前
100滋m
谱图1
电子能量/keV
Si
C O
谱图1
01
2
3
4
5
6
Si
C O 谱图1
电子能量/keV
56要要
渊a冤皮秒三步加工法
渊b冤飞秒两步加工法
图8椎1.4mm 微孔正反面超景深显微镜几何量检测
200滋m
200滋m
100滋m 100滋m
并沉积于孔底部袁在光束偏焦状态下反复作用的热累积效应形成氧化层袁阻碍了孔的继续加工袁继而形成盲孔遥
通过参数调试发现袁当平均功率达到7~10W 时袁可实现皮秒加工直径0.6~1.4mm 孔的一步打穿遥从图5所示的孔正反面形貌可看出袁一步打穿后反面成不规则形状袁需提升孔的表面质量及几何精度遥
继续调整脉冲能量发现袁平均功率在10W 以上时同样无法打穿遥采用大功率进行加工时袁能量密度最集中的孔心反而加工不完全袁导致孔中心成孤岛形貌袁则孔加工不穿袁其加工孔典型形貌见图6遥这是由于平均功率的升高袁在重复频率不变的情况下单脉冲能量也随之升高袁但此过程中光束重叠率并没有提升袁导致能量密集区域热量累积袁形成氧化层而材料无法得到有效去除遥
2.2
工艺迭代及参数固化
在上一步打穿验证基础上袁开展分步加工验证修孔的几何形貌以及最优孔的几何精度验证遥制定
了三步加工方案袁分别为打穿孔尧去余量和内腔光整袁从而形成圆柱孔袁示意见图7遥
从三步加工孔试验可得出袁在打穿孔及去余量工序采用7.3W尧光整工序采用5.2W 情况下袁直径0.3mm 孔无法打穿袁直径0.5mm 孔可打穿但反面圆度误差不达标遥随着孔径的增大袁反面孔圆度误差逐渐减小袁正面圆度误差可达10滋m 以内袁圆度柱最大误差为70滋m遥
3飞秒级超短脉冲激光加工陶瓷基复材气膜孔
由于飞秒激光单脉冲能量要高于皮秒袁表面质量及孔形也优于皮秒袁图8是皮秒三步法与飞秒两
步法加工直径1.4mm 微孔正反面超景深显微镜几何量检测图像遥因此袁直接采用飞秒制孔加工复材进行验证并加工出满足设计要求的圆柱孔[3]遥
图9是飞秒两步加工直径0.75mm 的30毅斜孔正反面图像遥加工后袁采用探针接触式高精度粗糙度测量仪对飞秒超短脉冲激光加工出的气膜孔内腔进行表面粗糙度检测袁制备检测试样既要结合实体零件实际加工壁厚值袁又要满足粗糙度检测需
图4皮秒一步加工直径0.5mm
以下孔的典型形貌
500滋m
500滋m
图5皮秒一步加工直径0.6~1.4mm 孔的正反面典型形貌
图6皮秒一步10W 以上平均功率加工孔典型形貌图7
分步制孔示意图
500
滋m
57要要
5结论与展望
金属型管电液束加工技术很好地拓宽了电液束加工的技术优点袁解决金属管电解加工过程中的短路与杂散腐蚀问题袁同时扩展了电液束加工的孔径范围袁获得了深径比更大的优质小孔遥此项技术在某型高压涡轮导向叶片气膜孔加工中得以采用袁形成了孔径0.8~6.0mm尧深径比达300颐1的深孔加工技术体系袁可应用在发动机热锻部件中承受高疲劳载荷的叶片孔加工袁进一步推广到航天尧兵器及其他国防工业事业中遥参考文献院
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求遥经测验袁选用4.5mm 厚陶瓷基复材试片时袁加工直径1.7mm 连续大孔可让接触式检测探针可达袁见图10曰通过取样长度反复检测六次袁最终确认内腔表面粗糙度为Ra 0.27滋m遥最后袁对材料进行金相检测袁未发现重熔层尧微裂纹等缺陷袁见图11遥
4结论
本文采用长脉冲激光尧超短脉冲激光尧电火花线切割尧水射流切割四种工艺对陶瓷基复合材料进行切割试验袁并进行皮秒级与飞秒级超短脉冲激光复材制孔袁得出以下结论院
渊1冤四种方法中袁超短脉冲激光法对材料损伤程度最小袁寻求最小功率以实现加工状态要求是选用超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料的前提条件遥
渊2冤采用皮秒级超短脉冲激光复材制孔袁皮秒一步可打穿孔径范围0.6~1.4mm袁深径比达4颐1曰加工平均功率范围7~10W袁最优功率7.3W遥孔径
0.3~0.5mm 微孔加工成形不建议采用皮秒加工曰孔径1~1.4mm 单孔加工时间为23.2min袁效率极低遥
渊3冤采用飞秒级超短脉冲激光复材制孔袁飞秒
一步可打穿孔径范围0.2~1.6mm袁深径比达10颐1曰平均功率范围6~11.5W袁最优功率11.5W遥飞秒加工孔径0.4~1.6mm 微孔袁质量状态良好袁基体无重熔层尧微裂纹尧崩齿等缺陷袁气膜孔内腔表面粗糙度可达Ra 0.27滋m遥参考文献院
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图9飞秒两步加工直径0.75mm 的30毅
斜孔正反面
图11陶瓷基复合材料金相检测
图10
粗糙度检测试样加工后的形貌
200滋m
200滋m
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58要要。