在現代工業的廣闊領域中,SiCf/SiC 材料憑借其優異的高溫穩定性、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、核能等高端領域備受青睞。以航空發動機為例,其渦輪葉片、噴口導流葉片等關鍵部件若采用 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,傳統加工方式難以對其進行有效加工,存在刀具磨損嚴重、加工表面質量差等諸多問題。激光技術以非接觸式加工的方式,避免了傳統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力對材料的損傷。除水導激光外,以下幾種激光技術也適用于加工 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,能產生極高的峰值功率。當聚焦到 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,進而實現材料去除,整個過程極快,熱量幾乎來不及向周圍擴散。
優勢:對 SiCf/SiC 這類熱敏感的陶瓷基復合材料而言,飛秒激光加工近乎 “冷加工”,熱影響區極小,能最大程度避免熱應力引發的微裂紋、材料變形等缺陷,特別適合加工高精度、高質量的微納結構,像微小的孔、槽等精細部件。
2、皮秒激光
加工原理:皮秒激光脈沖持續時間處于皮秒(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就完成加工動作。
優勢:與飛秒激光相比,皮秒激光設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 “光化學分解” 為主的方式實現加工。
優勢:屬于典型的冷加工方式,熱效應微乎其微,加工精度出色。可以滿足 SiCf/SiC 材料表面微圖案的精細雕刻、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,實現切割、打孔等操作。
優勢:二氧化碳激光設備成熟,功率高、光束質量較好,在對 SiCf/SiC 材料進行粗加工,如大面積切割、快速去除余量時,能展現出較高的加工效率,后續再搭配精修工藝完善加工精度。
隨著科技的不斷進步,激光技術在 SiCf/SiC 材料加工領域必將持續創新。相信在激光技術的助力下,SiCf/SiC 材料將在更多領域展現出其卓越性能,為人類科技的發展貢獻更大的力量。