在現(xiàn)代工業(yè)的廣闊領(lǐng)域中,SiCf/SiC 材料憑借其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、高比剛度、低密度以及出色的抗氧化和抗輻照性能,在航空航天、核能等高端領(lǐng)域備受青睞。以航空發(fā)動機為例,其渦輪葉片、噴口導(dǎo)流葉片等關(guān)鍵部件若采用 SiCf/SiC 材料制造,不僅能夠承受更高的溫度,大幅提升發(fā)動機的熱效率,還可有效減輕重量,降低油耗,增強飛行器的機動性。
但 SiCf/SiC 材料的加工難度極大,其硬度高且具有脆性,傳統(tǒng)加工方式難以對其進行有效加工,存在刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差等諸多問題。激光技術(shù)以非接觸式加工的方式,避免了傳統(tǒng)加工中刀具與材料的直接接觸,進而減少了刀具磨損以及機械應(yīng)力對材料的損傷。除水導(dǎo)激光外,以下幾種激光技術(shù)也適用于加工 SiCf/SiC 材料:
1、飛秒激光
加工原理:飛秒激光脈沖寬度極窄,在飛秒(10?¹? 秒)量級,能產(chǎn)生極高的峰值功率。當(dāng)聚焦到 SiCf/SiC 材料表面時,瞬間的超高能量密度使得材料迅速電離,形成等離子體,進而實現(xiàn)材料去除,整個過程極快,熱量幾乎來不及向周圍擴散。
優(yōu)勢:對 SiCf/SiC 這類熱敏感的陶瓷基復(fù)合材料而言,飛秒激光加工近乎 “冷加工”,熱影響區(qū)極小,能最大程度避免熱應(yīng)力引發(fā)的微裂紋、材料變形等缺陷,特別適合加工高精度、高質(zhì)量的微納結(jié)構(gòu),像微小的孔、槽等精細(xì)部件。
2、皮秒激光
加工原理:皮秒激光脈沖持續(xù)時間處于皮秒(10?¹² 秒)范圍,相較于納秒激光,它的能量釋放更為迅速,可讓材料快速氣化、熔化,而且熱擴散距離短。在加工時,材料吸收激光能量,迅速突破熔點或沸點,多余熱量來不及傳導(dǎo)就完成加工動作。
優(yōu)勢:與飛秒激光相比,皮秒激光設(shè)備的成本和維護成本更低,在一些對加工精度要求較高,同時又需兼顧成本的 SiCf/SiC 加工場景下更具實用性;相比傳統(tǒng)長脈沖激光,它顯著減少了熱損傷,保障材料性能。
3、紫外激光
加工原理:紫外激光的波長較短,光子能量高,材料對其吸收系數(shù)大。照射到 SiCf/SiC 材料上時,高能量光子可直接打斷材料的分子鍵,促使材料分解、氣化,以這種 “光化學(xué)分解” 為主的方式實現(xiàn)加工。
優(yōu)勢:屬于典型的冷加工方式,熱效應(yīng)微乎其微,加工精度出色??梢詽M足 SiCf/SiC 材料表面微圖案的精細(xì)雕刻、表面改性等特殊加工需求,比如制作具有特殊功能的微紋理表面。
4、二氧化碳激光
加工原理:二氧化碳激光屬于中紅外激光,是一種常用的連續(xù)波激光。通過透鏡聚焦后,激光束攜帶的高能量使 SiCf/SiC 材料表面溫度迅速升高,達到熔點、沸點后,材料熔化、氣化從而被去除;也可通過控制激光掃描路徑,實現(xiàn)切割、打孔等操作。
優(yōu)勢:二氧化碳激光設(shè)備成熟,功率高、光束質(zhì)量較好,在對 SiCf/SiC 材料進行粗加工,如大面積切割、快速去除余量時,能展現(xiàn)出較高的加工效率,后續(xù)再搭配精修工藝完善加工精度。
隨著科技的不斷進步,激光技術(shù)在 SiCf/SiC 材料加工領(lǐng)域必將持續(xù)創(chuàng)新。相信在激光技術(shù)的助力下,SiCf/SiC 材料將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其卓越性能,為人類科技的發(fā)展貢獻更大的力量。
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