一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法

摘要

一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法，先将SiC陶瓷基复合材料加工样片固定在激光加工设备上，激光加工设备包括光路系统和加工平台，光路系统包括飞秒激光器，飞秒激光器的激光经过反射镜、扩束镜、光阑、振镜及场镜组件后作用于加工平台上；加工平台包括相对于工作台在x、y和z轴方向的三维运动机构以及夹具，在三维运动机构中安装角位移台，通过调节角位移台能够改变y轴方向与工作台法线夹角大小，以获得大的激光入射角；通过计算机分别控制飞秒激光器的激光参数、振镜的振镜图形扫描及三维运动机构的移动对加工样片进行抛光；本发明利用激光与加工平台协同作业，根据需要调节横向纵向的光斑重叠率，保证加工的均匀性，加工效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料激光加工技术领域，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法。

背景技术

SiC陶瓷基复合材料拥有SiC陶瓷的耐高温、高比强、高比模、抗氧化腐蚀的优点，并且在SiC纤维的增强和增韧作用下克服了SiC陶瓷断裂韧性较低，易发生灾难性损毁的缺点，提高材料的可靠性及使用温度，在航空航天等众多领域得到广泛应用。由于该材料硬度较高，传统加工方式难以实现高精度抛光的微纳加工。

与传统加工方式相比，超短脉冲激光加工拥有低加工损伤，高加工精度，加工应用范围广和冷加工等特点，可以实现高精度的微纳加工。目前国内采用激光的抛光加工方法尚处于初步研究阶段，大多都是在现有的激光加工设备上进行的，激光加工设备上的激光与加工材料表面法线夹角为0°，且激光的运动与加工平台动作都是相对独立工作的，对于加工整个平面来说，尤其对于有倾斜角入射的加工，难以保证抛光表面横向和纵向的均匀性，加工效率低，操作难度大，加工效果不明显，实验误差大。

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用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法，利用激光与加工平台协同作业，配合加工平台实现激光与加工材料表面法线夹角从70°到90°的大角度变化，使横纵方向的加工协同进行，且可根据需要调节横向纵向的光斑重叠率，保证加工的均匀性，加工效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法，包括以下步骤：

1)将SiC陶瓷基复合材料加工样片固定在激光加工设备上，激光加工设备包括光路系统和加工平台，所述的光路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及场镜6组件后作用于加工平台上；

所述的加工平台包括相对于工作台在x轴方向、y轴方向和z轴方向的三维运动机构7以及安装在三维运动机构7上的夹紧加工样片的夹具9，x轴方向和z轴方向相互垂直，在三维运动机构7中沿y轴方向的运动平台和沿x轴方向的运动平台之间安装角位移台8，通过调节角位移台8能够改变y轴方向与工作台法线夹角大小，调节范围为0°-20°，对应于激光与加工材料表面法线夹角为90°-70°；

通过计算机10分别控制飞秒激光器1的激光参数、振镜5的振镜图形扫描及三维运动机构7的移动；

2)通过计算机10调节飞秒激光器1的输出激光波长为1064nm，输出脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ-200μJ，重复频率为20kHz-100kHz；利用计算机10控制飞秒激光器1的激光通断，再通过振镜5及场镜6聚焦成圆斑进行加工样片的加工；

3)在计算机10上绘制控制振镜5的扫描路径，扫描路径为一条直线，根据加工面积设定其重复的次数，扫描速度与重复频率相对应，设定范围为100mm/s-1000mm/s，保证脉冲激光的空间重叠率相等，跳转速度与扫描速度保持一致；

4)利用计算机10控制三维运动机构7，调节激光位置至指定加工起始位置，为保证脉冲激光的纵向空间重叠率相等，由计算设定三维运动机构7在y轴方向上的速度范围为30μm-300μm，之后设定所需移动距离，移动方向为使加工样片加工方向由上至下的方向；

5)用调节好的飞秒激光器1的激光参数、振镜5的运动参数、三维机构运动7的移动参数对加工样片进行抛光加工，材料表面粗糙度降低，得到抛光平面。

本发明的有效结果为：

通过调节y轴方向与工作台法线夹角的大小，从而得到大的激光倾斜入射角，光斑面积增大，能量密度减小，且激光能量大多被表面波峰吸收，同时激光光束被波峰阻挡削弱了其对波谷的刻蚀，表面更加均匀，明显提高了加工质量；振镜5与三维运动机构7协同作用，使横纵两个方向的加工协同进行，且可根据需要调节横向纵向的光斑重叠率，提高了加工的效率与准确性；同时通过控制沿y轴方向的运动解决了有倾斜角入射加工时激光的焦平面与目标加工平面重合困难的问题，保证了加工平面上的激光参数的均匀性。保证

附图说明

图1为本发明采用的激光加工设备结构示意图。

图2为实施例中未加工的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌。

图3为实施例中抛光加工后得到的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌。

图4为实施例抛光加工后得到的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌与原始形貌的对比图。

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

一种用于陶瓷基复合材料的超快激光抛光加工方法，包括以下步骤：

1)将30mm*30mm的SiC陶瓷基复合材料样片固定在激光加工设备上，参照图1，激光加工设备包括光路系统和加工平台，光路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及场镜6组件后作用于加工平台上；

所述的加工平台包括相对于工作台在x轴方向、y轴方向和z轴方向的三维运动机构7以及安装在三维运动机构7上的夹紧加工样片的夹具9，x轴方向和z轴方向相互垂直，在三维运动机构7中沿y轴方向的运动平台和沿x轴方向的运动平台之间安装角位移台8，通过调节角位移台8能够改变y轴方向与工作台法线夹角大小，调节范围为0°-20°，对应于激光与加工材料表面法线夹角为90°-70°；

本实施例角位移台8调节为10°，对应于激光与加工材料表面法线夹角为80°；

通过计算机10分别控制飞秒激光器1的激光参数、振镜5的振镜图形扫描及三维运动机构7的移动；

2)通过计算机10调节飞秒激光器1的输出激光波长为1064nm，输出脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ-200μJ，重复频率为20kHz-100kHz；利用计算机10控制飞秒激光器1的激光通断，再通过振镜5及场镜6聚焦成圆斑进行加工样片的加工；

本实施例调节单脉冲能量为100μJ，重复频率为40kHz；

3)在计算机10上绘制控制振镜5的扫描路径，扫描路径为一条直线，根据加工面积设定其重复的次数，扫描速度与重复频率相对应，设定范围为100mm/s-1000mm/s，保证脉冲激光的空间重叠率相等，跳转速度与扫描速度保持一致；

本实施例扫描路径长度为15mm，根据加工面积设定其重复次数为10000次，扫描速度与重复频率相对应，设定为200mm/s，保证脉冲激光的空间重叠率相等，跳转速度也是200mm/s；

4)利用计算机10控制三维运动机构7，调节激光位置至指定加工起始位置，为保证脉冲激光的纵向空间重叠率相等，由计算设定三维运动机构7在y轴方向上的速度范围为30μm-300μm，之后设定所需移动距离，移动方向为使加工样片加工方向由上至下的方向；

本实施例三维运动机构7在y轴方向的速度为60μm/s，y轴方向移动距离为15mm；

5)用调节好的飞秒激光器1的激光参数、振镜5的运动参数、三维机构运动7的移动参数对加工样片进行抛光加工，材料表面粗糙度从Ra4.0μm降低为Ra1.4μm，得到抛光平面。

参照图2、图3、图4，图2为本实施例中未加工的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌，材料原始表面粗糙，有明显的波峰和波谷，且分布不均匀；图3为实施例抛光加工后得到的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌，材料表面质量明显提升，波峰部分被削平，阻挡了对波谷的刻蚀，且没有产生裂纹，崩边等缺陷，得到抛光表面；图4为实施例中抛光加工后得到的陶瓷基复合材料加工样片的表面形貌与原始形貌的对比图，加工前后，材料表面抛光效果明显。