SiCp/Al復合材料厚板皮秒激光制孔重鑄層影響研究

劉 暢,王曉東,王 鍇,李 丞

(1.天津工業大學 機械工程學院 天津市現代化機電裝備技術重點實驗室，天津 300387; 2.航天精工股份有限公司，天津 300300)

引 言

碳化硅顆粒增強鋁基(silicon carbide particle reinforced aluminum matrix,SiCp/Al)復合材料與普通結構材料相比，具有散熱快、密度低、結構穩定性好、強度高以及良好的疲勞和斷裂性能，因此在汽車制造業和航空航天等領域得到廣泛應用[1-3]。但在某些關鍵部件處需要加工大量的1mm～3mm的微孔，在使用傳統加工方式對SiCp/Al復合材料進行磨削、切割、制孔等加工過程中存在很大問題，會造成嚴重的刀具磨損，造成大量的材料浪費，因此,SiCp/Al復合材料的超精密加工具有十分重要的意義[4-5]。

目前，對SiCp/Al復合材料的研究主要集中在鉆孔上，國內外學者從切削機理、加工方式和加工參量等方面對孔加工進行了深入研究。SALUR等人[6]通過方差實驗來分析加工參數對金屬基復合材料鉆孔的推力和表面粗糙度的影響,得到了與其它文獻中不同的結論：在該實驗參數下，推力和表面粗糙度隨著進給速率的增加呈偏斜趨勢。BASAVARAJAPPA等人[7]研究了Al2219/SiCp(體積分數為0.15)和Al2219/SiCp(體積分數為0.15)-石墨材料(體積分數為0.03)鉆孔的表面粗糙度以及鉆孔引起的表面擴展和亞表面變形,實驗結果表明，孔壁的表面粗糙度隨著切削速率的增加而減小，隨著進給速率的增加而增加。KUMAR等人[8]對Al7075/SiCp(體積分數為0.02,0.04,0.06)金屬網格復合材料鉆孔性能、顯微組織進行了研究,實驗結果表明，進給速率較低時鉆孔有利于改善孔的表面光潔度。KONG等人[9]使用大功率的二極管激光器和硬質合金刀具組成激光輔助切削系統(laser assisted machining,LAM)，結果表明，該方式與傳統機械加工相比，在相同的表面粗糙度下有更大的材料去除率。

對SiCp/Al復合材料的激光打孔主要集中在長脈沖激光打孔與中、低體分比激光燒蝕機理方面。ZHANG等人[10]研究了毫秒激光與金屬材料的作用過程中熔融液體噴濺、重鑄層和微裂紋等特征，運用數值模擬和實驗驗證相結合的方法建立了毫秒激光加工的流體動力學模型和熱應力模型。MARIMUTHU等人[11]探究了鋁金屬基復合材料(aluminium metal matrix composites,Al MMC)毫秒激光鉆孔的基本原理，在不同加工參數下的鉆孔特性以及孔質量(出入口直徑、錐度和重鑄層厚度)的綜合分析，實驗結果表明，SiC顆粒增強Al MMC的激光鉆孔機理與非增強金屬和合金的激光鉆孔機理不同。SARFRAZ等人[12]通過正交試驗的方法對單脈沖、沖擊和螺旋鉆孔3種鉆孔工藝在Inconel718上的鉆孔效果進行研究，討論主要加工參數對材料去除率和孔錐度的影響,并選定最佳的加工參數。JIANG等人[13]研究了紫外納秒在氧化鋁陶瓷表面孔加工的參數對于孔特征尺寸的影響規律，并分析其產生的相關機理,實驗表明，出入口直徑和孔錐度隨著激光功率的增大而增大；較低的掃描速率和較高的掃描次數可以明顯增大出入口直徑。JIANG等人[14]研究了皮秒激光平均功率、重復頻率、掃描速率和掃描次數等參數對碳纖維復合材料切割工藝的影響規律。GAO等人[15]采用不同激光功率在7mm的船舶鋼板上進行工藝實驗，以探究激光功率對船舶鋼-熔化極惰性氣體復合焊焊縫成型的影響。結合目前對于超短激光的研究，本文中以皮秒激光加工平臺為基礎，研究皮秒激光加工參數(激光功率百分比和掃描速率)對高體積分數SiCp/Al復合材料重鑄層的影響。

1 實 驗

1.1 SiCp/Al復合材料

本實驗中選用的SiCp/Al復合材料是以6061鋁合金和SiC顆粒為原料，采用粉末冶金方法制成，其中將原料按照不同的比例混合以達到不同顆粒體積分數的要求。材料的規格是100mm×150mm×4mm的板材，SiC顆粒平均尺寸是60μm ，體積分數為0.70。圖1為其材料顯微圖。圖中白色區域為SiCp增強體，黑色區域為Al基體，材料微觀結構顯示SiCp均勻分布在Al基體中。

Fig.1 SEM micrograph of SiCp/Al composite

1.2 皮秒激光加工系統

為了研究皮秒激光參數對孔重鑄層厚度的影響規律，結合皮秒激光加工系統的性能，設置各加工參數的單因素實驗。實驗中采用的激光器為DL-600P，輸出激光波長為355nm、脈沖寬度為10ps的紫外皮秒激光器，該設備最大功率為12W，透鏡聚焦激光束焦距為100mm，在實驗過程中使用壓縮空氣作為輔助氣體幫助去除熔融材料。已有的研究表明，激光功率百分比和掃描速率對重鑄層厚度有顯著性的影響[16-17]，因此,本文中的重點研究這兩個參數對厚板鋁基復合材料皮秒激光制孔重鑄層的影響規律。皮秒超短脈沖激光實驗平臺如圖2所示，激光器參數如表1所示,實驗參數如表2所示。在各組實驗中，為保證對目標參數單一變量的研究，其余參數均保持不變。為保證實驗數據的可靠性，避免實驗中的偶然誤差，選取多個位置多次測量后取平均值作為實驗結果。

Fig.2 Picosecond laser processing systerm

Table 1 Laser system parameters

Table 2 Experimental parameters (hole diameter is 1mm, gas pressure is 1MPa)

1.3 皮秒激光加工軌跡設計

皮秒激光加工實驗臺的光路系統如圖3a所示，實驗目標為在SiCp/Al復合材料基板表面加工直徑為1mm的通孔。激光路徑圖如圖3b所示，激光經光路系統最終到達樣品表面的實際加工聚集光斑直徑為10μm。激光頭按照由外向內的同心圓路徑進行掃描加工，畫一個直徑為R的圓(本實驗中R=500μm)，掃描路徑致密填充直至填滿該圓(本實驗中設置的填充間距H=10μm)，激光加工時逐圈掃描直至孔中央。激光掃描速率為v，完成一次由外向內的同心圓加工等同于完成一次掃描，可以設定多次掃描。

Fig.3 Schematic diagram of picosecond laser processing experiment

1.4 觀測與分析

加工前，先要對試件進行處理，將試件放在乙醇溶液中經超聲波清洗20min,以去除SiCp/Al復合材料表面的雜質。加工后，采用線切割、砂紙打磨、超聲振動清洗、機械拋光、吹風機吹干、溶液腐蝕等技術手段對樣品進行處理，此后需要在工件表面噴金進而使其獲得導電層。噴金設備如圖4a所示，噴金后的樣品使用臺式發射掃描電子顯微鏡(型號：TM3030)觀察孔內壁重鑄層的形貌；使用圖4b所示的Leica顯微鏡(型號：DVM6)在不同倍率下觀察孔的出入口形貌、表面輪廓和孔的形態。

Fig.4 Observation equipment diagram

2 激光加工參數對SiCp/Al復合材料重鑄層的影響

2.1 激光功率百分比對重鑄層的影響

圖5所示為不同功率百分比加工孔時產生的重鑄層及其裂紋放大圖。裂紋的產生是在激光加工提供的高溫環境下，該復合材料與氧氣發生反應，生成SiO2和Al2O3，如下式所示：

4Al+3O2=2Al2O3

(1)

SiC+2O2=SiO2+CO2

(2)

當溫度從高溫下降到環境溫度時，會產生殘余應力[17]。生成物SiO2(5×10-5/K)和Al2O3(7.2×10-6/K)的熱膨脹系數不同是殘余應力產生的最主要原因，因此在冷凝的重鑄層中產生許多裂紋。圖5a所示在重鑄層厚度較小且表面沒有明顯的裂紋。圖5b所示為在重鑄層表面產生的裂紋。圖5c所示為裂紋加深，從表面深入到重鑄層內部。圖5d所示為內部的橫向和縱向的裂紋交錯，使得重鑄層發生大面積的斷裂和脫落[18]。由圖5可知，在固定的掃描速率(300mm/s)下，增加激光功率百分比，重鑄層的表面裂紋逐漸加深，從單一的橫向或縱向發展為裂紋縱橫交叉，從而導致重鑄層的脫落，而且重鑄層中的SiC顆粒還阻礙裂紋的延伸。

Fig.5 Recast layer and cracks under different laser power percentages

圖6所示為重鑄層厚度隨激光功率百分比變化的趨勢圖。由圖6可知，隨著激光功率百分比的增加，重鑄層的厚度并未呈現單調性的變化趨勢而是先增加后減小。這是因為增加了激光功率，孔內部產生的等離子體就增多，隨著電子密度增加，等離子體密度增加并超過臨界值，等離子體屏蔽陣面形成，使得后續入射的激光脈沖發生反射，從而阻礙激光繼續向下照射，抑制了燒蝕的進行，噴射壓力減小，熔融物無法迅速排出孔外，導致重鑄層冷凝變厚[19]；但是在100%的激光功率下，重鑄層厚度最小，這是由于增加功率引起的增強燒蝕作用大于等離子體的阻礙作用，使得產生金屬蒸氣壓力增大，帶走的液相物質增多，減少了熔融物的冷卻重凝。

Fig.6 Thickness change of average and maximum recast layer under different laser power percentages

2.2 掃描速率對重鑄層的影響

圖7所示為激光功率百分比是100%時不同掃描速率下加工孔產生的的重鑄層及其裂紋放大圖。圖7a所示孔壁邊緣有重鑄層脫落，并且有少許SiC顆粒夾雜其中；圖7b所示為重鑄層脫落之后的形貌，重鑄層與基體貼合較為緊密；圖7c所示橫向和縱向的裂紋交叉，導致重鑄層脫落[20]；圖7d所示熔融物和基體的結合性能較弱，有很大的縫隙存在，這是由于SiC與氧氣的氧化反應中會產生CO2，CO2從重鑄層逸出，使得重鑄層與基體出現縫隙。在本實驗中，在200mm/s的掃描速率下，加工750次，所需時間約為24min，與在400mm/s的掃描速率下加工1500次所需時間接近。

Fig.7 Recast layer and cracks at different scanning speeds

圖8所示為重鑄層厚度隨激光掃描速率變化的趨勢圖。平均厚度和最大厚度隨著掃描速率的增加而增加，參考文獻[12]中指出，這是由于掃描速率增加，比能減少，更高的比能以及高壓輔助氣體噴射有助于有效地去除重鑄層和孔出口處的殘渣。由圖8可知，在一定激光功率百分比下，較低的掃描速率下使得激光在材料表面停留的時間較長，脈沖重疊率較高，導致材料局部溫度升高。由于材料對激光的吸收程度與溫度有關，溫度越高，材料對激光的吸收效果越好，熔融效果越明顯，“庫倫爆炸”越劇烈，而且加工孔所需的時間更短。

Fig.8 Thickness change of average and maximum recast layer at different scanning speeds

2.3 激光加工重鑄層形貌分析

圖9a所示為通孔形貌，孔的錐度為5.342°。在測量并記錄重鑄層厚度時發現，孔壁重鑄層的厚度分布不均勻，呈現兩端薄，中間厚的弧狀形貌，原因是該實驗板材相對較厚，孔內的熔融物向外噴射距離變長，在靠近孔入口處，激光燒蝕產生的等離子體云容易噴射出孔外，靠近底部的熔融物又能被高壓輔助氣體從出口排出，而中部由于熔池對流而未能迅速排出的熔融物重新凝結并形成較厚的重鑄層。在激光作用的初始階段，熔池逐漸形成，此時熔融物厚度分布不均，底部最薄頂部最厚，且有熔融物外溢和噴濺排出現象；另外，熔融物流速各部分也有差別，參考文獻[10]中指出,毫秒激光打孔噴濺而出的熔融物速率約為100mm/s，而熔池內熔融物最大流速達到了274mm/s。皮秒激光屬于“冷加工”，材料直接變成等離子體并在熔池和輔助氣體的的反沖壓力作用下發生逸散[21]，成孔的孔壁熱影響區較小，燒蝕過程中的等離子體也不會輕易重新凝結成重鑄層。但是長時間的激光加工依然會出現較多熱量，還是會形成重鑄層，當無激光能量的輸入時，熔融物很快冷卻結晶形成重鑄層，厚度不再變化。

Fig.9 Thickness change of recast layer

3 結 論

(1)當設置激光功率百分比低于70%時，在設定參量的條件下，不能形成通孔；當設置激光功率百分比高于70%時，孔壁重鑄層厚度隨著功率百分比的增加而增加，裂紋變深變長；當激光功率百分比高于90%時，激光增強產生的燒蝕作用大于孔內等離子體的阻礙作用，重鑄層厚度開始減小，在一定程度上改善了孔的加工質量。

(2)在單因素實驗條件下，重鑄層厚度隨著掃描速率的增加而增加，這是由于每個脈沖之間的重疊率隨著掃描速率增加而降低，材料單位面積內接收的熱量減少，從而激光的熔融燒蝕作用減小，因此，在功率百分比一定的情況下，較低的掃描速率可以獲得較薄的重鑄層。

(3)皮秒激光加工之后的孔壁的重鑄層厚度分布不均勻，由于板材的特殊厚度影響熔融物飛濺、噴射，從而呈現兩端薄，中間厚的“弧狀”形貌特征。

除了孔的重鑄層，如孔入/出口表面的噴濺物、孔的錐度及孔內壁的粗糙度等，也是評價孔加工質量的主要因素，在后續研究中可以采用正交實驗或響應曲面等方法對其進行優化，從而獲得單孔加工尺寸和形貌均較好的激光加工參數。