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