[发明专利]一种空腔零件激光制孔的对壁防护材料及微结构调控方法

说明书

本发明公开了一种空腔零件激光制孔的对壁防护材料及微结构调控方法，该防护材料包括基体材料和增强材料，质量比为10:1～10:4，基体材料为A、B双组份环氧树脂，A组份为双酚A环氧树脂，B组份为聚醚胺，A组份和B组份的质量比为1.2:1～1:1，增强材料为高温氧化物，高温氧化物为200～6000目微米级颗粒混合物，颗粒混合物为Al₂O₃、SiO₂、TiO₂按质量比1:1:1混合，该微结构调控方法为在防护材料内添加水凝胶颗粒，在防护材料固化过程中释放水分，阻碍特定范围内的防护材料固化，在防护材料内部形成可控微结构通道，本发明适用于复杂型腔零件激光加工的对壁有效防护，具有填充材料防护强度可控，易填充、易去除的特点；填充材料对激光加工过程影响小，排渣通道易形成。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种空腔零件激光制孔的对壁防护材料及微结构调控方法。

背景技术

连续或长脉冲激光加工利用材料对激光光子的线性吸收效应，激光能量被晶格吸收导致其振动加剧，材料通过加热、熔化、升华等过程实现去除。此过程必然伴随着对加工区域周围的热影响，包括重熔层、微裂纹、残余应力等。和传统激光的热作用机制不同，由于超快激光脉冲作用时间短于电子和晶格(原子核)之间能量传递的“弛豫时间”(约为10^-12秒)，使激光作用后材料晶格温度仍处于一个很低的水平，即实现“冷加工”过程。

然而，超快激光“冷加工”结论是在单脉冲、短时间的约束条件下获得的。材料去除的过程伴随着晶格温度的提升，由于激光作用时间极短，此热量在时间和空间尺度上被迅速耗散，从宏观上体现为“冷过程”。但是，当激光脉冲连续作用于材料、尤其是高重复频率脉冲作用时，单个脉冲对材料的加热效果产生了叠加，造成了“热积累”效应，不当的加工参数设置会导致最终加工效果趋同于传统激光。另外，在激光制孔这一特定应用场景下，激光脉冲持续在狭小空间反复作用于材料，被去除的材料形成了高温等离子体，对激光能量产生持续吸收，此时材料受到等离子体强烈的热辐射造成温度升高。因此，在超快激光制孔应用中，仍面临着热效应带来的巨大挑战。

对壁损伤缺陷是随着设计升级而产生的新问题。双层壁结构表层和对壁间狭窄的空间使激光能量极易穿过表层造成对壁烧蚀损伤，严重影响零件的疲劳寿命。特别是针对复杂形状零件，在电火花打孔中被广泛采用的塑料板填充保护工艺难以适用。因此，亟待开发带狭小空腔复杂零件超快激光制孔的对壁防护技术。

对壁损伤的本质是在制孔过程中，中心处率先被打通，在随后过程中，激光从中心处穿过直接作用于对壁。因此，对壁防护的策略可以分为以下两大类，精密控制策略：其核心思想是通过激光参数的优化，使作用于对壁的激光能量密度低于其损伤阈值。首先标定被加工材料的损伤阈值，通过对被加工零件空腔尺寸和孔位姿的计算，获得对应的激光参数阈值；在制孔过程中通过在线监测系统，监测通孔形成的时刻，并反馈至打孔设备控制系统，降低激光能量输入直至打孔完成。此策略的瓶颈问题在于，降低激光能量后无法保证孔下端出口的形貌，同时大幅度降低了加工效率。对于1mm厚度量级的狭小空腔，激光功率密度沿传播方向的衰减有限，无法同时保证表壁材料的去除和对壁的损伤抑制。

填充材料策略：填充材料策略不对激光加工参数做任何调整，从通孔中穿过的激光能量通过在空腔内添加防护材料进行阻隔。根据防护材料的不同细分为能量吸收、散射等物理阻隔和反应烧蚀阻隔两类。其中，物理阻隔方法包括在空腔内通水，通过水流(US6547645)或气流(US6303901)的扰动、冲刷和降温作用抑制对壁损伤，此方法对高能激光的干扰有限，同时水流的存在会导致加工状态紊乱，影响加工质量；CN107999957A则提出了采用氧化铝颗粒与黏结剂组成的复合材料激光防护方法，高熔点氧化物可充分吸收激光能量，实现高效稳定的激光阻隔，但是此方法在应用于狭小复杂空腔零件时面临着填充、去除困难的问题。