飛秒激光加工SiC/SiC復(fù)合材料厚板的孔型特征研究

劉 壯，方 菊，李元成，張曉兵

(1.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，南京 210016；2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024)

引 言

SiC/SiC具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強度，低密度等優(yōu)點，是高性能航空發(fā)動機高溫部件的理想結(jié)構(gòu)材料[1-5]。例如，SiC/SiC材料密度大約僅為高溫合金的25%，可以有效地降低發(fā)動機重量[6]；其熔點大約為2700℃，可以保證在1200℃環(huán)境中的安全性能，減少發(fā)動機的冷卻空氣流量，顯著提升發(fā)動機熱端部件工作溫度[7]。由于SiC/SiC復(fù)合材料的硬度極高，屬于典型的難加工材料，且其中的SiC纖維和SiC基體呈現(xiàn)各向異性，使得SiC/SiC材料小孔加工成為一個難題[8]。采用機械鉆削[9]、電火花加工[10]、水射流加工[11]、超聲加工[12]等方法加工SiC/SiC復(fù)合材料時，在加工區(qū)域容易出現(xiàn)分層、微裂紋、崩邊等缺陷，加工質(zhì)量難以保證。

激光加工具有加工材料范圍廣、無接觸、加工速度快等特點，在復(fù)合材料加工技術(shù)研究領(lǐng)域受到極大關(guān)注[13]。特別是在微小孔加工方面，高能量密度光束可以使得加工區(qū)域材料被快速加熱到氣化溫度而實現(xiàn)去除。毫秒脈沖激光脈沖能量大，適合加工大深度、大深徑比的小孔，所加工孔的錐度小，但存在孔口邊緣粗糙、熱影響區(qū)大、孔壁重鑄層厚、微觀裂紋等缺陷。例如，PAN等人利用大功率毫秒激光器對C/SiC進行了單脈沖及多脈沖的燒蝕實驗[14]，他們發(fā)現(xiàn)毫秒激光燒蝕給材料帶來了巨大的熱沖擊載荷及溫度梯度，加工區(qū)域表面裂紋現(xiàn)象嚴(yán)重，大量球形SiC顆粒沉積在加工區(qū)域邊緣。LlIU等人開展C/SiC毫秒激光制孔試驗，揭示了微孔內(nèi)壁重鑄層表面形貌變化及纖維燒蝕演變過程[15]。納秒脈沖激光的單脈沖作用時間縮短，激光峰值功率密度提高，所產(chǎn)生的熱影響比毫秒脈沖激光小得多，但納秒激光脈沖能量較小，在加工1mm以上深度SiC復(fù)合材料微小孔方面的研究不多見。JIAO等人采用納秒激光燒蝕2.5維C/SiC材料，在激光燒蝕區(qū)域發(fā)現(xiàn)了燒蝕孔洞、重凝、纖維斷口、末端氣脹等加工缺陷[16]。

飛秒激光具有極短脈寬和極高的峰值功率，與材料的相互作用時間極短，幾乎可以使被加工材料瞬間氣化，因而加工結(jié)構(gòu)輪廓清晰，重鑄層、微裂紋等缺陷較少[17]。目前關(guān)于SiC/SiC材料飛秒激光制孔技術(shù)研究的報道較少，現(xiàn)有研究主要采用皮秒激光加工深徑比不超過3的微小孔。例如，CAI等人利用脈寬2.1ps的皮秒激光在SiC/SiC復(fù)合材料上加工出深徑比2.3的微孔[18]；LIU等人采用脈寬6.8ps的皮秒激光加工出深徑比約3的微孔[19]。本文中采用飛秒激光開展了SiC/SiC復(fù)材厚板的小孔加工工藝研究，探討了工藝參數(shù)對入口直徑、孔深、錐度等孔型特征的影響規(guī)律和影響機理，以期為今后SiC/SiC超快激光制孔應(yīng)用研究提供參考。

1 實 驗

1.1 加工裝置與試樣材料

實驗中使用的飛秒激光器型號為PharosPHI-20，該激光器輸出光束波長為1026nm，脈沖寬度290fs，最大輸出功率20W，最大脈沖重復(fù)頻率100kHz。通過控制系統(tǒng)可以直接調(diào)節(jié)飛秒激光器的脈沖能量、重復(fù)頻率、掃描速率、填充間距等參數(shù)。激光束通過焦距160mm的透鏡聚焦后形成的光斑直徑大約為44μm。飛秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示。

Fig.1 Femtosecond laser processing system

實驗中所使用的材料為2.5維編織、經(jīng)由先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備而成的SiC/SiC復(fù)材厚板，試樣尺寸為30mm×15mm×4mm。復(fù)材中單根SiC纖維直徑12μm，SiC纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.45。SiC/SiC復(fù)合材料試樣的密度為2.3g/cm3，比熱容為1002J/(kg·K)，熱導(dǎo)率為12.75W/(m·K)，氣孔率約為10%。

1.2 實驗參數(shù)

制孔加工采用光束同心圓填充掃描方式進行，如圖2所示。光束掃描從最外圈軌跡開始，最外圈軌跡圓直徑為700μm，然后以相同的掃描速率加工到最內(nèi)圈，完成一次掃描。掃描100次完成一層加工，光斑按照設(shè)定進給量沿垂直方向(z向)進給，進行下一層掃描，直到完成進給次數(shù)。

Fig.2 Schematic diagram of small hole scanning trajectory

加工參數(shù)變化范圍為：脈沖能量E為65μJ～130μJ,脈沖重復(fù)頻率f為20kHz～100kHz,光束掃描速率v為100mm/s～300mm/s,線重合度δl為9%～77%,進給距離h為0.1mm～0.5mm。上述參數(shù)中，脈沖能量、重復(fù)頻率、掃描速率和線重合度均與光束掃描面積內(nèi)的能量密度Q有關(guān)，Q值(單位為J/mm2)采用下式進行計算:

(1)

式中，s為按照加工軌跡掃描一次激光束移動的距離，R為理論加工孔徑。

1.3 結(jié)果檢測

加工后的試件經(jīng)超聲波清洗烘干，在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下觀測小孔的加工表面及入口直徑，并利用工業(yè)斷層掃描(computerized tomography,CT)技術(shù)檢測小孔錐度。小孔錐度θ采用下式進行定義:

(2)

式中,D為入口直徑，d為出口直徑，H為板材厚度(通孔狀態(tài))或小孔實際深度(盲孔狀態(tài))。

2 結(jié)果與分析

2.1 脈沖能量的影響

圖3為采用不同脈沖能量(65μJ,97μJ,130μJ)所加工出的小孔形貌。固定加工參數(shù)為：f=100kHz,v=100mm/s,h=0.4mm,N=12,δl=77%，其中N表示掃描次數(shù)?？梢钥闯觯】拙鶐в忻黠@錐度，且只有在130μJ脈沖能量下實現(xiàn)了通孔加工。小孔入口處圓度較好，孔壁無明顯熱影響區(qū)。入口邊緣及孔內(nèi)壁覆蓋有一層白色物質(zhì)，由能譜分析儀(energy dispersive spectroscopy，EDS)檢測出該區(qū)域含有大量氧元素，說明加工過程中存在強烈氧化反應(yīng)。在孔壁及入口邊緣可以看到許多碎屑附著，具有較強的粘附性。65μJ脈沖能量下，入口輪廓雖然較為清晰，但由于光束掃描能量密度Q較低，一部分材料在激光作用下熔融但未達到氣化溫度，脈沖停止后這些材料重凝形成現(xiàn)有入口形貌。

Fig.3 SEM and CT images of holes due to different pulse energy

圖3所示孔型特征測量值隨脈沖能量的變化如圖4所示。隨著脈沖能量的增大，入口直徑變化不明顯，其大小分別為1.13mm，1.11mm，1.12mm；錐度變化較明顯，錐度分別為40.65°，21.8°和13.31°;孔深分別為1.38mm，3.04mm和4mm，能量密度分別為2.78J/mm2,4.16J/mm2和5.57J/mm2，顯示出孔深隨能量密度Q的增大而增大。結(jié)果顯示，同心圓掃描加工方式對入口直徑影響較小。而脈沖能量的大小直接決定了深度方向上材料的單層去除量。實驗中重復(fù)頻率為固定值，隨著脈沖能量的增大，單脈沖的材料去除量也越大。當(dāng)脈沖能量在較低水平時，光斑掃描面積內(nèi)的能量密度較小，掃描100次后所去除的每層深度不及每層進給量，聚焦光斑與加工平面之間的離焦量逐漸增大，導(dǎo)致每層去除量越來越小，最終無法實現(xiàn)通孔加工。

Fig.4 Hole shape characteristics as a function of pulse energy

2.2 重復(fù)頻率的影響

圖5為采用不同重復(fù)頻率所加工出的小孔形貌。固定加工參數(shù)為:E=130μJ,v=100mm/s,h=0.4mm,N=12,δl=77%?？梢钥闯?，小孔均帶有明顯錐度，且只有在100kHz重復(fù)頻率下實現(xiàn)了通孔加工。小孔入口處圓度較好，重復(fù)頻率20kHz時,脈沖間熱累積效應(yīng)不明顯，但隨著重復(fù)頻率的增大，熱累積變得嚴(yán)重，入口邊緣白色重凝物質(zhì)增多。這是由于重復(fù)頻率增大會使得加工區(qū)域輸入能量密度增大，進而使得脈沖間產(chǎn)生明顯的熱累積效應(yīng)。熱累積效應(yīng)一方面有助于提高材料去除速率，但另一方面會導(dǎo)致熱影響區(qū)擴大，孔口邊緣沉積物增多。

Fig.5 SEM and CT images of holes due to different repetition frequency

圖5所示孔型特征測量值隨重復(fù)頻率的變化如圖6所示。隨著重復(fù)頻率的增大，入口直徑變化依然不明顯；而錐度、孔深受影響較大，錐度分別為38.66°，20.38°，13.54°；孔深分別為1.42mm，2.66mm，4mm。結(jié)果表明，在脈沖能量固定不變的情況下，脈沖頻率與能量密度Q成正比，而Q值大小直接影響材料去除速率。因此，隨著重復(fù)頻率增大，材料去除量增多、孔深增大、錐度減小。此外，重復(fù)頻率100kHz下存在明顯的熱累積現(xiàn)象，利于通孔的形成。

Fig.6 Hole shape characteristics as a function of repetition frequency

2.3 光斑掃描速率的影響

圖7為采用不同光斑掃描速率所加工出的小孔形貌。固定加工參數(shù)為:E=130μJ,f=100kHz,h=0.4mm,N=12,δl=77%。可以看出，孔口邊緣重凝物隨著掃描速率的增大逐漸減少。在掃描速率為100mm/s和150mm/s時，加工出通孔；200mm/s及300mm/s時未能加工出通孔，其中后者孔壁質(zhì)量最差，重凝物沉積現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖7所示孔型特征測量值及能量密度隨掃描速率的變化如圖8所示。隨著掃描速率的增大，入口直徑變化不明顯，其大小分別為1.13mm,1.12mm,1.13mm,1.13mm；錐度則逐漸增大，其值分別為13.31°,13.94°,14.43°,16.38°。原因在于：掃描速率越小，作用在加工區(qū)域的有效脈沖個數(shù)增多，總能量增大，而輻照在加工區(qū)域的能量密度增大，材料去除量增多、孔深增大、錐度減小。此外，掃描速率較小、輸入能量密度較大時，小孔內(nèi)形成反沖高壓使碎屑和熔融物質(zhì)從孔內(nèi)高速向外噴射，提高了后續(xù)光束能量的利用率，利于孔深的增加和錐度的減小。因此，較小的掃描速率可以獲得較好的加工效果。

Fig.7 SEM and CT images of holes due to different scanning speed

Fig.8 Hole shape characteristics as a function of scanning speed

2.4 線重合度的影響

圖9為采用不同線重合度(9%,32%,66%,77%)所加工出的小孔形貌。固定加工參數(shù)為:E=130μJ,f=100kHz,v=100mm/s,h=0.4mm,N=12?？梢钥闯觯肟谛蚊蚕嗨?，且入口邊緣的白色重凝物質(zhì)量隨線重合度增大而增多。線重合度對孔深影響較大，只有在77%和66%線重合度下，實現(xiàn)了通孔加工，但是小孔錐度較大。

Fig.9 SEM and CT images of holes due to varied line overlap ratio

圖9中的孔型特征測量值隨線重合度的變化如圖10所示。隨著線重合度的增大，入口直徑依然未有明顯變化，其大小分別為1.16mm，1.15mm，1.14mm，1.13mm；錐度、孔深及能量密度變化較明顯，錐度分別為24.98°，18.49°，14.94°和12.73°，孔深分別為2.47mm，2.55mm，4mm和4mm；能量密度分別為1.15J/mm2,1.96J/mm2,3.77J/mm2和5.57J/mm2。原因分析為：線重合度增大即相鄰掃描軌跡間距小，光束掃描面積內(nèi)的能量密度大大高于材料的燒蝕閾值，導(dǎo)致單層掃描去除量大，因此孔深增大、錐度減小。

Fig.10 Hole shape characteristics as a function of line overlap ratio

2.5 進給量的影響

圖11為采用不同進給量(0.1mm,0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm)所加工出的小孔形貌。固定加工參數(shù)為:E=130μJ,f=100kHz,v=100mm/s,N=12,δl=77%。根據(jù)前述實驗結(jié)果分析，被加工材料單位面積上激光掃描面積上能量密度對孔型的影響較大，因此選擇了最大脈沖能量130μJ、最大重復(fù)頻率100kHz、最小掃描速率v=100mm/s以及最大線重合度77%進行實驗?？梢钥闯?，該變量下加工得到的均為錐形通孔。

Fig.11 SEM and CT images of holes due to different feed distance

圖11中的孔型特征測量結(jié)果如圖12所示。隨著進給量的增大，入口直徑變化不明顯，入口直徑分別為1.14mm,1.12mm,1.12mm,1.13mm和1.12mm；但錐度存在變化，錐度分別為12.38°,13.38°,14.08°,14.36°和14.73°。進給量為0.1mm時，錐度最小。原因如下：(1)當(dāng)隨著孔深增加而進給聚焦光斑到加工平面時，如果光斑每次進給量大于每層去除深度，上層材料會對光束形成遮擋，進給距離越大，遮擋越嚴(yán)重，導(dǎo)致脈沖能量衰減嚴(yán)重，不足以去除更多的材料；(2)隨著加工深度的增加，排屑越來越困難，上一個脈沖熔化及氣化材料無法及時排出孔外，這些碎屑和熔融物質(zhì)會大量的反射和吸收光束能量，影響后續(xù)材料的去除；(3)飛秒激光具有極高的峰值功率，光斑附近空氣極易被電離形成等離子體，繼而出現(xiàn)了等離子體屏蔽現(xiàn)象，影響材料對光束的吸收，加大了深孔加工的材料去除難度。

Fig.12 Hole shape characteristics as a function of feeding distance

3 結(jié) 論

本文中開展了SiC/SiC厚板飛秒激光制孔實驗研究，探討了脈沖能量、重復(fù)頻率、光斑掃描速率、線重合度和進給量對小孔入口直徑、孔深、錐度等孔型特征的影響機理。研究發(fā)現(xiàn)，采用同心圓填充加工方式，工藝參數(shù)的變化對入口直徑的幾乎無影響，但對孔深和錐度的影響較大。

(1)最大脈沖能量130μJ、最大重復(fù)頻率100kHz、最小掃描速率v=100mm/s以及最大線重合度77%下，小孔錐度最小。這是由于脈沖能量、重復(fù)頻率、掃描速率以及線重合度均與光束掃描面積上的能量密度大小密切相關(guān)，大能量密度導(dǎo)致材料去除速率增加，每層去除深度增加，因而能減小加工錐度。

(2)孔型錐度隨進給量的增大而增大。對于厚板材料小孔加工，如果光斑每層進給量大于每層去除深度，上層材料會遮擋激光束導(dǎo)致脈沖能量衰減嚴(yán)重，不足以去除更多的材料，進而使得孔錐度增大；且加工過程中產(chǎn)生的等離子體現(xiàn)象以及排屑困難嚴(yán)重影響孔底材料對光束的吸收，加大了深孔加工的材料去除難度。因此，后續(xù)可以從改變光束掃描方式、提高光束掃描能量密度、增加高速氣流精準(zhǔn)沖刷加工區(qū)域等角度進一步研究降低小孔錐度的措施。