CN109894751B - 一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属基复合材料研究领域，具体涉及一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，可以保证SiC纤维在箔材表面排布均匀，且避免了纤维滑动引起的纤维碰撞而带来的性能损伤。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，槽型和尺寸易控制。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，可适用的金属材料种类范围广。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，刻槽后凹槽表面光滑无毛刺。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，热影响区小，对箔材成分和组织不会有明显改变。采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，具有速度快，工艺路线简单，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料研究领域，提供了一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法。
背景技术
SiC纤维增强金属基复合材料中以SiC纤维增强金属基复合材料(SiCf/Ti复合材料)最为典型。SiCf/Ti复合材料具有高比强度、高比刚度、优良的抗蠕变和抗疲劳性能，被认为是理想的轻质耐高温结构材料。在高推重比航空发动机(如压气机叶片、叶环和涡轮轴等)和超音速空天飞行器(如飞机蒙皮、加强筋等)中具有良好的应用前景，已成为高推重比航空发动机必须的关键新材料。
SiCf/Ti复合材料常采用基体涂覆法、箔压法和等离子喷涂法进行毛坯件的制备，并结合热等静压(HIP)或热压(VHP)方式成型，成型过程中长时间的高温高压会导致钛合金发生蠕变变形进而实现致密化。由于采用基体涂覆法和等离子喷涂法制备复合材料毛坯件时先驱丝之间存在较多孔隙，需在后续成型过程中进一步闭合，因而这两种方法会带来一定程度的体积收缩，造成复合材料部分形状可控性变差。同时由于采用物理气相沉积法或等离子喷涂法制备的先驱丝厚度难以完全均匀，且存在钛合金脱落的可能，引起复合材料中SiC纤维互相接触，带来了应力集中的风险，严重降低了复合材料的使用性能，限制了材料的应用。箔压法采用纤维-箔-纤维交替叠加排列的方式制备复合材料毛坯件，并通过热压成型实现复合材料的致密化。采用该方法的成本低，且复合材料变形量易于控制，因而适用于制备SiCf/Ti复合材料各类构件。而针对复合材料的箔压法却面临如下问题：首先，传统的钛合金箔材表面光滑平整，在铺放SiC纤维时易发生纤维之间的滑动和接触，引起复合材料性能的下降。其次，传统的箔与箔之间的缝隙较大，成型时变形量较难控制。同时，箔材的大变形易导致SiC纤维受到损伤。以上情况对复合材料构件的制备带来了不利的影响，因而急需开发钛合金箔材的刻槽技术，以满足固定SiC纤维，防止纤维发生接触，同时有效控制成型时复合材料变形量等复合材料制备的要求。
采用带有弧形凹槽的钛合金箔材用于SiCf/Ti复合材料的研制，不仅可以保证SiC纤维在箔上稳定地均匀排布，避免了因纤维碰撞而引起的应力开裂；而且通过调节弧形凹槽的半径和凹槽间距可以有效调控复合材料中的纤维体积分数。同时复合材料成型时变形量更容易控制，且适用于多种类钛合金基体复合材料的制备，适用范围广，同时大幅降低了制备成本。而针对钛合金箔材的刻槽方法，选择激光刻蚀法，可实现钛合金箔材弧形凹槽的制备，故其在复合材料领域具有广泛地应用前景。
发明目的
本发明的目的是：本发明提供一种适用于金属基复合材料制备用的箔材弧形凹槽刻槽的方法，利用激光发射器在金属箔材表面的指定位置刻槽。采用激光在金属箔材表面进行扫描，可以实现半径深度约50μm弧形凹槽的刻蚀。同时调节激光的能量、平均功率和聚焦光斑直径大小，可以控制凹槽的激光热影响区小于10μm。此外，扫描振镜配合光束移动可以实现弧形凹槽的刻蚀，且保证箔材刻槽后表面光滑。采用激光扫描的方法刻槽精度高、槽形及尺寸易调节，可重复性好，且刻槽效率高，有利于优化不同纤维体积分数的复合材料制备时纤维的排布。
本发明的技术方案是：
提供一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤1、对金属箔基材表面进行抛光和清洁，并在金属箔基材表面标记出平行的纤维定位线，纤维定位线至少为一条，以所述纤维定位线作为激光刻蚀的基准线；
步骤2、将激光垂直于金属箔基材表面沿着基准线进行刻蚀，形成垂直于金属箔基材表面的初槽；
步骤3、将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀，且在刻蚀前使激光从垂直于金属箔基材表面的位置，以基准线作为转轴正向摆动角度a进行刻蚀，35°<a<55°，优选为45°；
步骤4、将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀，且在刻蚀前使激光从垂直于金属箔基材表面的位置，以基准线作为转轴反向摆动角度b进行刻蚀，35°<b<55°，优选为45°；形成纤维丝凹槽，所述纤维丝凹槽的槽宽为95～105μm。优选是100μm。
进一步的，纤维定位线至少为一条，纤维定位线的间距至少为200μm。
进一步的，步骤3的摆动角度a的绝对值与步骤4的摆动角度b的绝对值相同或不同。
进一步的，以步骤3和步骤4为一个刻蚀周期，沿着基准线刻蚀两个周期以上。
进一步的，所述金属箔基材表面包括基材正面和基材反面，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开。
进一步的，在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽；在金属箔基材左侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材反面为平面；在金属箔基材右侧区域的基材反面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材正面为平面。
进一步的，在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽；在金属箔基材一侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材反面为平面；在金属箔基材另一侧区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽。
本发明的优点是：第一，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，可以保证SiC纤维在箔材表面排布均匀，且避免了纤维滑动引起的纤维碰撞而带来的性能损伤。
第二，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，槽型和尺寸易控制。
第三，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，可适用的金属材料种类范围广。
第四，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，刻槽后凹槽表面光滑无毛刺。
第五，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，热影响区小，对箔材成分和组织不会有明显改变。
第六，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽，具有速度快，工艺路线简单，降低了生产成本。
第七，采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽，环保无污染。
附图说明
图1为不刻槽时纤维发生碰撞的截面图；
图2为步骤2-4中激光束的示意图；
图3为正反面均刻蚀后的箔材；
图4为纤维放入凹槽后的示意图；
图5为金箔一侧基材正面未蚀刻和反面蚀刻的示意图；
图6为金箔两侧正反不同时蚀刻和中间区域蚀刻的示意图；
图7为金箔卷绕后形成平行排列的纤维丝孔的示意图；
图8为本发明的金属金箔卷绕后与钛合金和纤维的爆炸视图。
其中：1-步骤3的激光束、2-步骤2的激光束、3-步骤4的激光束、4-钛合金封盖、5-平行排列的纤维束、6-钛合金芯棒、7-本发明的蚀刻后卷绕的金属箔材、8钛合金包套。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
实施例1：
采用50mm×150mm×0.2mm的TC17钛合金箔材作为刻槽对象，在其表面通过激光刻蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内，抽真空至2×10- 3Pa。调节激光器与箔材相对位置，设置激光波长1030nm，扫描速率2mm/s，激光重复频率300kHz，激光功率50W。当沿着基准线完成凹槽刻蚀后，将激光沿与基准线垂直方向移动200μm，在相邻的纤维丝定位线处进行下一凹槽刻蚀，并依次完成所有凹槽刻蚀；当箔材基板材正面完成凹槽刻蚀后，取出TC4钛合金箔材，翻转到未刻蚀的箔材板材反面并依次完成所有凹槽刻蚀，取出TC17钛合金箔材。其中，所述金属箔基材表面包括基材正面和基材反面，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开。
实施例2：
采用50mm×150mm×0.2mm的TC17钛合金箔材作为刻槽对象，在其表面通过激光刻蚀的方法刻蚀箔材单面凹槽。将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内，抽真空至2×10-3Pa。调节激光器与箔材相对位置，设置激光波长1030nm，扫描速率4.5mm/s，激光重复频率600kHz，激光功率70W。当沿着基准线完成凹槽刻蚀后，将激光沿与基准线垂直方向移动200μm，在相邻的纤维丝定位线处进行下一凹槽刻蚀，并依次完成所有凹槽刻蚀，取出TC17钛合金箔材。
实施例3：
采用100mm×150mm×0.5mm的TC4钛合金箔材作为刻槽对象，在其表面通过激光刻蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内，抽真空至2×10- 3Pa。调节激光器与箔材相对位置，设置激光波长1030nm，扫描速率5mm/s，激光重复频率600kHz，激光功率60W。当沿着基准线完成凹槽刻蚀后，将激光沿与基准线垂直方向移动200μm，在相邻的纤维丝定位线处进行下一凹槽刻蚀，并依次完成所有凹槽刻蚀；当箔材基板材正面完成凹槽刻蚀后，取出TC4钛合金箔材，翻转到未刻蚀的箔材板材反面并依次完成所有凹槽刻蚀，取出TC17钛合金箔材。
实施例4：
参照实施例3，采用150mm×200mm×0.2mm的AlFeSiMo铝合金箔材作为刻槽对象，在其表面通过激光刻蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。将xx铝合金箔材固定在工作腔体内，抽真空至2×10-3Pa。调节激光器与箔材相对位置，设置激光波长1030nm，扫描速率8mm/s，激光重复频率800kHz，激光功率80W。
Claims (10)
1.一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤1、对金属箔基材表面进行抛光和清洁，并在金属箔基材表面标记出平行的纤维定位线，纤维定位线至少为一条，以所述纤维定位线作为激光刻蚀的基准线；
步骤2、将激光垂直于金属箔基材表面沿着基准线进行刻蚀，形成垂直于金属箔基材表面的初槽；
步骤3、将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀，且在刻蚀前，使激光从垂直于金属箔基材表面的位置，以基准线作为转轴正向摆动角度a进行刻蚀，35°<a<55°；
步骤4、将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀，且在刻蚀前，使激光从垂直于金属箔基材表面的位置，以基准线作为转轴反向摆动角度b进行刻蚀，35°<b<55°；形成纤维丝凹槽，所述纤维丝凹槽的槽宽为95～105μm。
2.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：纤维定位线至少为一条，纤维定位线的间距至少为200μm。
3.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：步骤3的摆动角度a的绝对值与步骤4的摆动角度b的绝对值相同或不同。
4.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：以步骤3和步骤4为一个刻蚀周期，沿着基准线刻蚀两个周期以上。
5.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：所述金属箔基材表面包括基材正面和基材反面，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开。
6.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽；在金属箔基材左侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材反面为平面；在金属箔基材右侧区域的基材反面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材正面为平面。
7.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽；在金属箔基材一侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽，基材反面为平面；在金属箔基材另一侧区域的基材正面和基材反面，均标记纤维定位线，且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开，并蚀刻成所述纤维丝凹槽。
8.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：所述金属箔为TC17钛合金箔或铝合金箔。
9.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：纤维为SiC纤维。
10.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法，其特征在于：角度a为45°。
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