CN111195777A - 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，使用超快激光器产生超快激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入陶瓷粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；步骤S3，对所述填入陶瓷粉末的表面再次进行超快激光刻蚀加工，直到填充的陶瓷粉末蚀除干净；步骤S4，判断是否实现对粗糙刻蚀表面凸起的陶瓷颗粒凸出部分去除，若否，转到步骤S2，若是，结束刻蚀加工。本发明可以降低陶瓷颗粒增强金属基复合材料加工表面粗糙度，提高加工精度。

Description

一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工 方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工，属于先进制造技术领域。
背景技术
复合材料作为我国目前新材料发展的重点，金属基陶瓷颗粒增强复合材料以其低成本、优异性能被认为是最具前途的复合材料，目前主要在航天航空、电子封装及汽车动力装置领域应用。但是，传统刀具及电火花加工存在一定问题且对复杂构件加工存在局限性，于是限制了该种材料的商业化推广。
超快激光脉冲，一般是指脉冲宽度小于10 ps的激光脉冲。超快激光材料加工，是一种无接触、无应力、精致、细密、逐点去除的精密加工过程。一方面，由于脉宽极短，使得激光在材料中光学、热学穿透长度很短，一般仅为几个纳米，且单脉冲刻蚀深度很浅，一般仅为几十个纳米，对材料的热影响几乎可以忽略。另一方面，由于与材料作用时间极短、脉冲峰值能量密度高，可以实现金属、半导体、陶瓷、透明材料等几乎任何材料的加工(肖荣诗,张寰臻,黄婷. 飞秒激光加工最新研究进展.机械工程学报,2016,52(17):176-186)。尽管如此，超快激光对金属基陶瓷颗粒增强复合材料的刻蚀加工还不成熟。
基于金属与陶瓷两种材料不同的热学、光学性能，金属基体与陶瓷颗粒在超快激光刻蚀中表现出不同的刻蚀速率，使刻蚀表面呈现特殊形貌。以超快激光刻蚀碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）为例，表面形貌为颗粒凸显、基体凹陷（H.Z. Zhang, H.Y.Wang, F.F. Liu, L.Wang. Investigation on femtosecond laser ablativeprocessing of SiCp/AA2024 composites. Journal of Manufacturing Process, 2020,49:227-233）。目前，超快激光对金属基陶瓷颗粒增强复合材料的精密均匀刻蚀尚存在困难。
由此，超快激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料精密加工的实现，需要一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工的方法，使得刻蚀表面平整、粗糙度降低。
本发明的技术方案如下。
本发明提供了一种用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用超快激光器产生超快激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；
步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入陶瓷粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；
步骤S3，对所述填入陶瓷粉末的表面再次进行超快激光刻蚀加工，直到填充的陶瓷粉末蚀除干净；
步骤S4，判断是否实现对粗糙刻蚀表面凸起的陶瓷颗粒凸出部分去除，若否，转到步骤S2，若是，结束刻蚀加工。
优选的，所述陶瓷颗粒增强金属基复合材料的加工表面为水平面，所述超快激光的激光光束垂直加工表面。
优选的，所述步骤S1使用所述超快激光的脉冲能量密度最低值可实现对金属基体的刻蚀，使用所述超快激光的脉冲能量密度最高值可实现对金属基体及陶瓷颗粒的刻蚀。
优选的，所述步骤S1所用超快激光的脉冲能量密度过高，在刻蚀表面的陶瓷颗粒上产生孔洞或在陶瓷颗粒间隙、金属基体位置处产生孔洞，该脉冲能量密度不适用于本法。
优选的，所述步骤S1刻蚀后的复合材料表面形貌特征为：表层陶瓷颗粒凸起、金属基体凹陷，表层陶瓷颗粒呈现镶嵌貌。
优选的，所述步骤S2中填入的陶瓷粉末与所加工的陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的陶瓷颗粒为同一种化学成分材料。
优选的，所述的粗糙刻蚀表面为步骤S1加工后的表面。
通过采用以上技术方法，本发明对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行超快激光刻蚀加工，能消除颗粒凸显、基体凹陷的刻蚀形貌，将陶瓷颗粒凸出于表面的部分去除，达到提高加工表面平整度、降低表面粗糙度、提高超快激光对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的加工精度目的。
附图说明
图1是超快激光扫描刻蚀陶瓷颗粒增强金属基复合材料后的粗糙刻蚀表面形貌示意图。
图2 是陶瓷颗粒增强金属基复合材料粗糙刻蚀表面填入陶瓷粉末后的表面效果示意图。
图3是超快激光对填入陶瓷粉末的表面刻蚀加工后效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的具体实施例，进一步对本发明的技术方案及技术效果进行说明。
实施例1
本实施例提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用超快激光器产生超快激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；
步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入陶瓷粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；
步骤S3，对所述填入陶瓷粉末的表面再次进行超快激光刻蚀加工，直到填充的陶瓷粉末蚀除干净；
步骤S4，判断是否实现对粗糙刻蚀表面凸起的陶瓷颗粒凸出部分去除，若否，转到步骤S2，若是，结束刻蚀加工。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中填入的陶瓷粉末平均粒径小于所述陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的陶瓷颗粒平均直径，同时小于所述的粗糙刻蚀表面粗糙度。
大体上说，一方面，所述的粗糙刻蚀表面粗糙度跟陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒大小相关，陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒越大，同样加工参量条件下，粗糙刻蚀表面粗糙度越大。另一方面，超快激光在陶瓷颗粒增强金属基复合材料单位面积辐照的脉冲数越多，所述粗糙刻蚀表面粗糙度越大。
本领域的技术人员能够理解，虽然上述技术方案中并未对填入陶瓷粉末平均粒径做具体限定，但是为了保证填入陶瓷粉末后粗糙刻蚀表面变得平整，且粗糙刻蚀表面填粉薄层的材料密度尽量均匀，一般填入的陶瓷粉末平均粒径应小于陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒的平均直径。由此可以在陶瓷颗粒增强金属基复合材料的粗糙刻蚀表面构造成分均一、密度均匀的新表层。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中填入的陶瓷粉末可通过机械振动方式促进陶瓷粉末在陶瓷颗粒间隙填充，并最终保证填充表面平整性。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1及S3中的扫描刻蚀加工一般指由点到线、线线成面的过程。
本领域的技术人员能够理解，所述扫描刻蚀加工中相邻脉冲在材料上辐照的光斑区域存在部分重叠，按照这样的方式，点点移动扫描成线。所述扫描刻蚀加工中相邻扫描线之间亦存在部分重叠，按照这样的方式，线线移动扫描成面。最终完成加工区的刻蚀过程。
本领域的技术人员能够理解，虽然以上技术方案中并未对激光的参数做具体限定，但是为了保证扫描刻蚀区域的平整性、保证加工质量，一般一次面扫描过程中每个脉冲的能量密度是基本相同的。
在一优选的实施方式中，所述步骤S3中的超快激光扫描刻蚀加工的深度一般至少为所述粗糙刻蚀表面粗糙度的2倍。
在一优选的实施方式中，所述粗糙刻蚀表面的粗糙度一般标注选取Ra。
本领域的技术人员能够理解，粗糙度的Ra又称表面轮廓的平均算术偏差或中心线平均值，是以表面轮廓线的平均高度作为中心线，轮廓上各点相对中心线的平均距离。
在一优选的实施方式中，所述步骤S3中对填入陶瓷粉末的粗糙刻蚀表面再次进行超快激光刻蚀加工，其刻蚀加工的超快激光器、激光参量及机械参量可包含但不限于步骤S1所用的超快激光器、激光参量及机械参量。
实施例2
下面以碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料为例，介绍陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工的具体过程。本实施例所设计的设备如下。
超快激光器为TRUMPF公式生产的飞秒激光器（TruMicro5000）,脉宽800fs、波长1030nm，功率4W。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料为颗粒平均直径30μm、体积分数45%的SiCp/AA2024，碳化硅颗粒为多晶碳化硅。
当采用超快激光刻蚀加工SiCp/AA2024后，粗糙刻蚀表现呈现SiC颗粒凸显、AA2024基体凹陷形貌（如图1示意所示）。
对该粗糙刻蚀表面填充碳化硅粉末，粉末平均粒径为50nm，碳化硅粉末为多晶碳化硅。
将碳化硅粉末填充至超快激光刻蚀后的SiCp/AA2024粗糙刻蚀表面，粉末填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平（如图2示意所示）。
采用超快激光对该填入碳化硅粉末的SiCp/AA2024表面进行刻蚀加工，最终将SiCp/AA2024粗糙刻蚀表面上凸出的碳化硅颗粒其凸出部分蚀除（如图3示意所示），提高了加工区表面平整度、降低了表面粗糙度，提高了加工精度。

Claims (5)

1.陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用超快激光器产生超快激光脉冲，对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行扫描刻蚀加工；
步骤S2，对步骤S1完成后的粗糙刻蚀表面填入陶瓷粉末，填平后恰好满足与表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平；
步骤S3，对所述填入陶瓷粉末的表面再次进行超快激光刻蚀加工，直到填充的陶瓷粉末蚀除干净；
步骤S4，判断是否实现对粗糙刻蚀表面凸起的陶瓷颗粒凸出部分去除，若否，转到步骤S2，若是，结束刻蚀加工。
2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S1结束后，陶瓷颗粒增强金属基复合材料的刻蚀表面呈现陶瓷颗粒凸显、基体凹陷的形貌，且颗粒上、颗粒间隙无刻蚀孔洞。
3.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S2填入的陶瓷粉末与所加工的陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的陶瓷颗粒为同一种化学成分材料。
4.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，其特征在于，步骤S2填入的陶瓷粉末平均粒径小于陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒的平均直径。
5.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法，其特征在于，步骤S2填入的陶瓷粉末量满足恰好与粗糙刻蚀表面凸起的陶瓷颗粒最高水平面齐平。
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