CN111716005A - 一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，先将SiC陶瓷基复合材料的加工样片表面研磨抛光，超声清洗；再将加工样片固定在超声辅助激光抛光加工装置上，移动平台使激光聚焦到起始加工位置；设置激光参数、振镜扫描参数、超声振动参数和XYZ高精密移动平台的运动参数，打开飞秒激光器和超声发生器，用调好的参数进行加工样片的超声辅助激光抛光加工；抛光完成后，对加工样片再次进行超声清洗；本发明将激光与超声两种加工方法相结合，充分利用了超声波的声流、空化等效应，解决了激光抛光过程中因等离子效应和颗粒粘附效应产生的重铸层、表面裂纹等缺陷的问题，优化了激光加工的进程，提高了材料去除率和抛光表面质量。

Description

一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料激光加工技术领域，具体涉及一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法。

背景技术

SiC陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度、高强度、高硬度、抗腐蚀等优点，被广泛用于高温和一些苛刻的环境中，尤其在航空航天飞行器上需要承受极高温度的特殊部位具有很大的应用潜力。由于该材料的多层编制结构和超高硬度，传统的加工方式已经难以满足高精度抛光表面的需求。

与传统加工方式相比，激光加工技术具有加工效率高、热影响区小、非接触加工等优势，可以实现材料表面的高精度加工。然而，直接对材料表面进行激光抛光加工具有以下缺陷：(1)激光抛光时，一方面由于等离子云对激光的屏蔽、散射效应，直接影响了激光的传输效率，不利于抛光表面的材料去除；(2)另一方面，激光抛光表面的颗粒粘附效应，导致气化物质和残留物难以排出，极易在材料表面进行二次沉积，形成重铸层；(3)此外，等离子再加热效应也会导致加工表面产生表面裂纹、界面裂纹等问题，得到的抛光表面质量较差。

超声加工技术基于超声波的声流、空化、机械等效应，广泛用于硬脆材料的加工，具有加工精度高、热影响区小、无污染等优点，但单纯的超声加工效率较低，加工成本很高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，将激光与超声两种加工方法相结合，基于超声波与介质的相互作用，优化了激光加工的进程，削弱了等离子云对激光的屏蔽、散射效应，降低了抛光表面的颗粒粘附效应，有利于加工过程中熔融材料的流动和排出，提高了材料去除率和抛光表面质量，进而获得无表面裂纹、无重铸层等缺陷的高质量表面。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：

1)将SiC陶瓷基复合材料的加工样片表面研磨抛光，放置在有机溶剂中超声清洗10～15分钟；

2)风干后将加工样片固定在超声辅助激光抛光加工装置上，超声辅助激光抛光加工装置包括激光加工系统、XYZ高精度移动平台、超声振动辅助装置和夹具；激光加工系统的激光照射在加工样片上，加工样片通过夹具固定在超声振动辅助装置上，超声振动辅助装置安装在XYZ高精度移动平台上；

所述的激光加工系统包括飞秒激光器1，飞秒激光器1发出的激光依次经过反射镜2、扩束镜3、光阑4、振镜5、场镜6后作用在加工样片上，进行加工样片的抛光加工；所述的XYZ高精度移动平台包括XY移动平台10和Z移动平台11，能够实现在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的精确移动；所述的超声振动辅助装置包括超声发生器12、超声换能器9和超声变幅杆8，超声变幅杆8上方通过夹具7固定加工样片，超声变幅杆8安装在XY移动平台10上，XY移动平台10上安装有超声换能器9、超声发生器12，超声振动频率为20kHz，振幅为10μm～30μm；

3)通过计算机14分别控制飞秒激光器1的激光参数、振镜5的图形扫描和XYZ高精度移动平台的移动；

4)通过计算机14调节飞秒激光器1的输出激光波长为1030nm，脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ～200μJ，重复频率为20kHz～100kHz；利用计算机14控制飞秒激光器1的激光通断；

5)通过计算机14绘制振镜5的扫描路径，扫描路径为一条平行于y轴的直线，根据加工样片的加工面积确定其重复次数，而且扫描速度与重复频率一一对应，扫描速度的设定范围为100mm/s～500mm/s，跳转速度与扫描速度保持一致；

6)计算机14通过X、Y、Z轴电机13控制XYZ高精密移动平台的移动，将超声振动辅助装置移动到场镜6的下方，通过不断调整XYZ高精密移动平台和激光焦距，使激光对焦，聚焦到指定的起始加工位置；设定XY移动平台10在X轴方向上的移动速度，移动速度设置为30μm/s～300μm/s，之后设定所需的移动距离；

7)打开飞秒激光器1，激光束经过激光加工系统聚焦到加工样片上，打开超声发生器12，使超声振动辅助装置带动加工样片沿Z轴方向振动；用调好的飞秒激光器1的激光参数、振镜5的扫描参数、超声振动辅助装置的参数和XYZ高精密移动平台的运动参数进行加工样片的表面抛光加工；抛光完成后，关闭飞秒激光器1和超声发生器12；

8)抛光完成后，取下加工样片，再次在有机溶剂中超声清洗10～15分钟，得到加工成品。

所述的夹具7为真空吸盘。

本发明同现有工艺技术相比，具有以下有益的效果：

(1)采用激光抛光的同时辅助以超声振动，利用超声波的声流、空化效应，一方面驱散了等离子云，避免了等离子云对激光的屏蔽、散射效应，提高了抛光表面质量和材料去除率；

(2)降低了抛光表面的颗粒粘附效应，加快了等离子体的流动，使气化物质和残留物迅速排出，颗粒不易吸附在加工表面形成重铸层，提高了加工表面质量；

(3)避免了等离子再加热效应导致的表面裂纹、界面裂纹等问题。

(4)通过超声波振动与超快激光的复合作用，解决了激光抛光过程中因等离子效应产生的重铸层、表面裂纹等缺陷的问题，提高了激光加工的质量和效率，获得了无表面裂纹、无重铸层等缺陷的高质量表面。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明超声辅助激光抛光加工装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1，一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：

1)将SiC陶瓷基复合材料的加工样片表面研磨抛光，放置在有机溶剂中超声清洗10～15分钟；

2)风干后将加工样片固定在超声辅助激光抛光加工装置上，参照图2，超声辅助激光抛光加工装置包括激光加工系统、XYZ高精度移动平台、超声振动辅助装置和夹具；激光加工系统的激光照射在加工样片上，加工样片通过夹具固定在超声振动辅助装置上，超声振动辅助装置安装在XYZ高精度移动平台上；

所述的激光加工系统包括飞秒激光器1，飞秒激光器1发出的激光依次经过反射镜2、扩束镜3、光阑4、振镜5、场镜6后作用在加工样片上，进行加工样片的抛光加工；所述的XYZ高精度移动平台包括XY移动平台10和Z移动平台11，能够实现在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的精确移动；所述的超声振动辅助装置包括超声发生器12、超声换能器9和超声变幅杆8，超声变幅杆8上方通过夹具7固定加工样片，超声变幅杆8安装在XY移动平台10上，XY移动平台10上安装有超声换能器9、超声发生器12，超声发生器12用于产生不同振幅的高频振动，超声振动频率为20kHz，振幅为10μm～30μm；所述的夹具7为真空吸盘，用于加工样片的固定；

3)通过计算机14分别控制飞秒激光器1的激光参数、振镜5的图形扫描和XYZ高精度移动平台的移动；

4)通过计算机14调节飞秒激光器1的输出激光波长为1030nm，脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ～200μJ，重复频率为20kHz～100kHz；利用计算机14控制飞秒激光器1的激光通断；

5)通过计算机14绘制振镜5的扫描路径，扫描路径为一条平行于y轴的直线，根据样片的加工面积确定其重复次数，而且扫描速度与重复频率一一对应，扫描速度的设定范围为100mm/s～500mm/s，跳转速度与扫描速度保持一致；

6)计算机14通过X、Y、Z轴电机13控制XYZ高精密移动平台的移动，将超声振动辅助装置移动到场镜6的下方，通过不断调整XYZ高精密移动平台和激光焦距，使激光对焦，聚焦到指定的起始加工位置；为了保证脉冲激光抛光时XY方向上具有相同的重叠率，需要设定XY移动平台10在X轴方向上的移动速度，移动速度设置为30μm/s～300μm/s，之后还要设定所需的移动距离；

7)打开飞秒激光器1，激光束经过激光加工系统聚焦到加工样片上，打开超声发生器12，使超声振动辅助装置带动加工样片沿Z轴方向振动；用调好的飞秒激光器1的激光参数、振镜5的扫描参数、超声振动辅助装置的参数和XYZ高精密移动平台的运动参数进行加工样片的表面抛光加工；抛光完成后，关闭飞秒激光器1和超声发生器12；

8)抛光完成后，取下加工样片，再次在有机溶剂中超声清洗10～15分钟，得到加工成品。

抛光后的材料表面质量明显提高，组织更加均匀，无表面裂纹、重铸层等缺陷，符合技术要求。

Claims (2)

1.一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将SiC陶瓷基复合材料的加工样片表面研磨抛光，放置在有机溶剂中超声清洗10～15分钟；

2)风干后将加工样片固定在超声辅助激光抛光加工装置上，超声辅助激光抛光加工装置包括激光加工系统、XYZ高精度移动平台、超声振动辅助装置和夹具；激光加工系统的激光照射在加工样片上，加工样片通过夹具(7)固定在超声振动辅助装置上，超声振动辅助装置安装在XYZ高精度移动平台上；

所述的激光加工系统包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器1发出的激光依次经过反射镜(2)、扩束镜(3)、光阑(4)、振镜(5)、场镜(6)后作用在加工样片上，进行加工样片的抛光加工；所述的XYZ高精度移动平台包括XY移动平台(10)和Z移动平台(11)，能够实现在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的精确移动；所述的超声振动辅助装置包括超声发生器(12)、超声换能器(9)和超声变幅杆(8)，超声变幅杆(8)上方通过夹具(7)固定加工样片，超声变幅杆(8)安装在XY移动平台(10)上，XY移动平台(10)上安装有超声换能器(9)、超声发生器(12)，超声振动频率为20kHz，振幅为10μm～30μm；

3)通过计算机(14)分别控制飞秒激光器(1)的激光参数、振镜(5)的图形扫描和XYZ高精度移动平台的移动；

4)通过计算机(14)调节飞秒激光器(1)的输出激光波长为1030nm，脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ～200μJ，重复频率为20kHz～100kHz；利用计算机(14)控制飞秒激光器(1)的激光通断；

5)通过计算机(14)绘制振镜(5)的扫描路径，扫描路径为一条平行于y轴的直线，根据加工样片的加工面积确定其重复次数，而且扫描速度与重复频率一一对应，扫描速度的设定范围为100mm/s～500mm/s，跳转速度与扫描速度保持一致；

6)计算机(14)通过X、Y、Z轴电机(13)控制XYZ高精密移动平台的移动，将超声振动辅助装置移动到场镜(6)的下方，通过不断调整XYZ高精密移动平台和激光焦距，使激光对焦，聚焦到指定的起始加工位置；设定XY移动平台(10)在X轴方向上的移动速度，移动速度设置为30μm/s～300μm/s，之后设定所需的移动距离；

7)打开飞秒激光器(1)，激光束经过激光加工系统聚焦到加工样片上，打开超声发生器(12)，使超声振动辅助装置带动加工样片沿Z轴方向振动；用调好的飞秒激光器(1)的激光参数、振镜(5)的扫描参数、超声振动辅助装置的参数和XYZ高精密移动平台的运动参数进行加工样片的表面抛光加工；抛光完成后，关闭飞秒激光器(1)和超声发生器(12)；

8)抛光完成后，取下加工样片，再次在有机溶剂中超声清洗10～15分钟，得到加工成品。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光抛光陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：所述的夹具(7)为真空吸盘。

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