在现代工业的广阔领域中,SiCf/SiC 材料凭借其优异的高温稳定性、高比刚度、低密度以及出色的抗氧化和抗辐照性能,在航空航天、核能等高端领域备受青睐。以航空发动机为例,其涡轮叶片、喷口导流叶片等关键部件若采用 SiCf/SiC 材料制造,不仅能够承受更高的温度,大幅提升发动机的热效率,还可有效减轻重量,降低油耗,增强飞行器的机动性。
但 SiCf/SiC 材料的加工难度极大,其硬度高且具有脆性,传统加工方式难以对其进行有效加工,存在刀具磨损严重、加工表面质量差等诸多问题。激光技术以非接触式加工的方式,避免了传统加工中刀具与材料的直接接触,进而减少了刀具磨损以及机械应力对材料的损伤。除水导激光外,以下几种激光技术也适用于加工 SiCf/SiC 材料:
1、飞秒激光
加工原理:飞秒激光脉冲宽度极窄,在飞秒(10⁻¹⁵ 秒)量级,能产生极高的峰值功率。当聚焦到 SiCf/SiC 材料表面时,瞬间的超高能量密度使得材料迅速电离,形成等离子体,进而实现材料去除,整个过程极快,热量几乎来不及向周围扩散。
优势:对 SiCf/SiC 这类热敏感的陶瓷基复合材料而言,飞秒激光加工近乎 “冷加工”,热影响区极小,能最大程度避免热应力引发的微裂纹、材料变形等缺陷,特别适合加工高精度、高质量的微纳结构,像微小的孔、槽等精细部件。
2、皮秒激光
加工原理:皮秒激光脉冲持续时间处于皮秒(10⁻¹² 秒)范围,相较于纳秒激光,它的能量释放更为迅速,可让材料快速气化、熔化,而且热扩散距离短。在加工时,材料吸收激光能量,迅速突破熔点或沸点,多余热量来不及传导就完成加工动作。
优势:与飞秒激光相比,皮秒激光设备的成本和维护成本更低,在一些对加工精度要求较高,同时又需兼顾成本的 SiCf/SiC 加工场景下更具实用性;相比传统长脉冲激光,它显著减少了热损伤,保障材料性能。
3、紫外激光
加工原理:紫外激光的波长较短,光子能量高,材料对其吸收系数大。照射到 SiCf/SiC 材料上时,高能量光子可直接打断材料的分子键,促使材料分解、气化,以这种 “光化学分解” 为主的方式实现加工。
优势:属于典型的冷加工方式,热效应微乎其微,加工精度出色。可以满足 SiCf/SiC 材料表面微图案的精细雕刻、表面改性等特殊加工需求,比如制作具有特殊功能的微纹理表面。
4、二氧化碳激光
加工原理:二氧化碳激光属于中红外激光,是一种常用的连续波激光。通过透镜聚焦后,激光束携带的高能量使 SiCf/SiC 材料表面温度迅速升高,达到熔点、沸点后,材料熔化、气化从而被去除;也可通过控制激光扫描路径,实现切割、打孔等操作。
优势:二氧化碳激光设备成熟,功率高、光束质量较好,在对 SiCf/SiC 材料进行粗加工,如大面积切割、快速去除余量时,能展现出较高的加工效率,后续再搭配精修工艺完善加工精度。
随着科技的不断进步,激光技术在 SiCf/SiC 材料加工领域必将持续创新。相信在激光技术的助力下,SiCf/SiC 材料将在更多领域展现出其卓越性能,为人类科技的发展贡献更大的力量。