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《北京工业大学》 2018年
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碳化硅颗粒增强铝基复合材料脉冲激光刻蚀规律研究

张寰臻  
【摘要】:铝基碳化硅陶瓷颗粒增强复合材料(SiC_p/Al)作为一种最有应用前景的航空关键材料,产业化进程受到后续加工技术制约,主要表现为加工工具严重磨损、加工效率低、加工表面粗糙和加工形状受限。脉冲激光作为一种先进的特种加工手段,加工柔性及对材料的适应性较强,相对于连续激光,由于缩短了激光与材料作用时间,减小了热影响,可提高加工精度,在微纳加工领域具有良好的应用前景,对金属、陶瓷、半导体等材料的加工也日趋成熟。而目前脉冲激光对复合材料的加工主要集中在纤维增强树脂基(CFRPs)材料的切割、打孔方面的研究和应用,对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的脉冲激光加工仍鲜见报道。由于传统加工手段对SiC_p/Al复合材料加工存在诸多问题,综合脉冲激光加工的特点及优势,本论文提出使用脉冲激光刻蚀SiC_p/Al复合材料并研究其规律。主要内容包含:首先通过纳秒激光单脉冲方式作用SiC_p/Al复合材料获得一般行为规律;通过复合材料与单一块材的对比实验获得纳秒激光作用过程中基体与颗粒间相互影响实验规律,通过热学模拟解释基体与颗粒间相互影响。在此基础上进行纳秒激光扫描刻蚀SiC_p/Al复合材料的工艺研究,并对等离子体影响加工效率进行实验验证,提出“跳跃刻蚀”法进行工艺优化。最后对超短脉冲激光刻蚀SiC_p/Al复合材料进行初步的探索研究,对Al、SiC材料进行双温模拟,从而获得超短脉冲激光刻蚀SiC_p/Al复合材料特点及形貌形成机制,总结其加工特点并对加工中的缺点和不足给予分析和展望。通过上述研究获得了以下结论:首先,纳秒激光以单脉冲形式作用AA2024、SiC单一块材、平均颗粒直径5μm、30μmSiC_p/AA2024复合材料的对比研究表明:纳秒激光作用复合材料范围大于单一材料,颗粒越大作用范围越大;复合材料中基体刻蚀深度小于AA2024块材,颗粒越大基体刻蚀深度越大,颗粒越小作用效果越接近均质材料。通过对AA2024、SiC两种材料的热学模拟、反射率的测量表明,SiC较AA2024升温快、熔化气化慢、吸收率高。因此,SiC颗粒作为高吸收、快升温材料,随机、离散分布在复合材料中,可提高复合材料对激光能量吸收率、扩大脉冲作用材料范围,并且通过界面向基体传热加速AA2024熔化,降低基体破坏阈值提高其刻蚀效率,颗粒越大上述效果越明显。其次,纳秒激光扫描刻蚀SiC_p/AA2024复合材料的工艺研究表明:等离子体对次脉冲能量的吸收是降低激光能量利用率的主要原因,因此,随光斑重叠率增加,刻蚀深度对数函数增加,存在饱和效应;缺陷累积效应(Incubation Phenomena)是增加材料吸收率、提高刻蚀效率的主要因素,因此,随刻蚀遍数增加,刻蚀深度及粗糙度线性增大;利用纳秒激光诱导大量熔池并配合高压同轴气体对熔池内物质机械蚀除是提高刻蚀效率并抑制重凝层、粗糙度增加的有效方法,因此,在高压同轴气体机械蚀除辅助下,可获得刻蚀深度随脉冲能量线性增加,重凝层厚度及粗糙度趋向饱和的结果。为了减小刻蚀中等离子体的影响,提出“跳跃刻蚀”法,与存在等离子体作用时刻蚀结果对比,刻蚀深度显著增加。由于纳秒激光热作用,刻蚀后的SiC_p/AA2024复合材料表面存在冶金反应,重凝层主要由Al_9Si、SiC组成并有少量SiO_2、Si、Al_4C_3、Al_4SiC_4产物、各物质分布分散、相对均匀。最后,皮秒激光对SiC_p/AA6061复合材料刻蚀的实验结果表明,超短脉冲激光刻蚀复合材料形貌及规律均不同于短脉冲激光刻蚀结果。由于皮秒激光可使基体与颗粒直接气化,刻蚀表面无重凝,刻蚀深度及表面粗糙度随脉冲能量密度线性增加,且100遍刻蚀深度是50遍深度两倍。双温模拟结果显示,基体较颗粒气化快、刻蚀阈值更低,因此可使基体刻蚀更深,出现颗粒凸显、基体凹陷的形貌,并随刻蚀遍数及脉冲能量密度增加,基体蚀除量进一步增大,表面粗糙度增加。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

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