前言

激光加工是利用能量密度極高的激光束作用于工件，使材料瞬間熔化或氣化，同時(shí)在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開，從而實(shí)現(xiàn)切割、鉆孔等操作的加工工藝。但該工藝易引起工件表面附近的熱損傷，且易造成熔融微粒污染，制約了其在硬質(zhì)材料及精密加工制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

1993年，瑞士科學(xué)家Beruold Richerghagen首次提出了水導(dǎo)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光技術(shù)技術(shù)又稱微射流激光加工技術(shù)。隨后，一系列針對(duì)不同堅(jiān)硬材料的微射流激光加工的研究在全球范圍內(nèi)展開。在航空航天領(lǐng)域，材料通常具有高比強(qiáng)、比模量、高硬度、耐磨性好和高耐熱性等特性，例如金屬基復(fù)合材料、鈦合金、鎳基合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）以及陶瓷材料等，它們被廣泛用于飛機(jī)、衛(wèi)星、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和美國(guó)國(guó)家航空和航天局（NASA）的航天飛機(jī)。

微射流激光鉆孔

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代航空器和航天器的核心動(dòng)力系統(tǒng)，需要在高壓和高溫的環(huán)境中運(yùn)行，渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷最大的部件，其中一級(jí)、二級(jí)渦輪葉片的工況尤為惡劣，工作中持續(xù)承受高溫高壓燃?xì)獾臎_擊。渦輪葉片的高效氣膜冷卻直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的最高工作溫度，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性、能量效率等一系列關(guān)鍵性能。渦輪葉片冷卻孔的常規(guī)加工技術(shù)是EDM鉆孔，但無法加工非導(dǎo)電的熱障涂層，故工藝路線制定為“先制孔后涂層再修整”，這會(huì)導(dǎo)致涂層在孔口處堆積，造成縮孔、堵孔等問題，且使氣流出射方向偏離設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而影響冷卻氣膜的覆蓋效率。而微射流激光技術(shù)能夠在帶有熱障涂層的高溫合金上實(shí)現(xiàn)一次性制孔。

微射流激光切割

在切割薄的航空航天材料時(shí)，傳統(tǒng)切割方法難免產(chǎn)生的熱變形和裂紋，采用微射流激光技術(shù)切割減小熱影響區(qū)是解決方法。纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例是飛機(jī)先進(jìn)程度的標(biāo)志之一。近幾年來，針對(duì)采用微射流激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合（CFRP）材料，國(guó)內(nèi)各大高校紛紛開展了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)納秒激光切割中幾百微米的熱影響區(qū)可通過水導(dǎo)激光切割降低為僅幾十微米；對(duì)于幾毫米厚的材料，單邊錐度可減小11.8%至2°~3°左右。由于激光與水射流同軸，高速水射流的沖刷作用可使熔融物更快排出，冷卻作用使熱影響區(qū)更小，槽道內(nèi)壁干凈，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現(xiàn)象。

 傳統(tǒng)激光與微射流激光加工碳纖維復(fù)材對(duì)比

微射流激光技術(shù)優(yōu)勢(shì)

微射流激光在加工的過程中，激光對(duì)材料進(jìn)行照射，使其局部加熱，溫度快速上升，從而對(duì)材料進(jìn)行升華，并通過射流所產(chǎn)生的沖刷力，將雜質(zhì)全部帶走。與常規(guī)激光工藝相比，微射流激光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)特定復(fù)雜形狀的微結(jié)構(gòu)加工，包括直接加工帶涂層的渦輪葉片等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)加工方法難以同時(shí)滿足精度和效率的要求，而微射流激光加工技術(shù)則憑借其高能量密度和精細(xì)冷卻效果，能夠精確加工這些高性能材料，減少熱影響區(qū)，具有表面質(zhì)量高，圓度、錐度良好，效率極高等優(yōu)勢(shì)，防止材料變形和性能劣化，從而確保零部件的質(zhì)量和可靠性。

微射流激光技術(shù)工作原理圖

目前，微射流激光加工已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。其對(duì)各種脆堅(jiān)硬的材料都有很強(qiáng)的切割能力。該材料在汽車，通訊，航空，信息，生物醫(yī)學(xué)，軍事，科研等各個(gè)方面都有重要的應(yīng)用。微射流激光加工是一種干凈、可靠、高精度和靈活的加工技術(shù)，較于傳統(tǒng)激光加工在材料上產(chǎn)生熱損傷和殘留物，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

轉(zhuǎn)自：晟光硅研

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