碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料（SiCf/SiC陶瓷基復合材料）具有耐高溫、抗氧化、高比剛度、高比強度等特性，是先進航空發動機高溫構件的理想材料。

      然而，隨著航空發動機性能的不斷提升，單純依靠SiCf/SiC陶瓷基復合材料已難以抵御高溫燃氣環境。為了提高構件的服役性能，需采用氣膜冷卻技術。該技術通過在構件表面設計氣膜孔，將冷卻氣體輸送到構件表面，形成冷卻氣膜以隔離高溫燃氣，從而顯著提升SiCf/SiC陶瓷基復合材料的服役性能。

       SiCf/SiC陶瓷基復合材料氣膜孔具有直徑小、深徑比大、錐度小等結構特征，又具有硬脆、分解溫度高、各向異性、非均質等材料特點，屬于典型的難加工材料。因此，如何實現SiCf/SiC陶瓷基復合材料氣膜孔的高質量加工，已成為亟待解決的關鍵問題。

       針對SiCf/SiC陶瓷基復合材料氣膜孔所面臨的精密加工需求，大連理工大學董志剛教授團隊開展了水導激光環切制孔工藝研究，深入探究了激光單脈沖能量、掃描速度及水束壓力等關鍵工藝參數對小孔出入口形貌、錐度的影響規律，成功實現了直徑為500 µm、深徑比為8 的近無錐度小孔的高質高效加工，如圖1和圖2所示。這一研究成果可為后續水導激光加工SiCf/SiC 陶瓷基復合材料氣膜孔提供了可靠的工藝支撐。

圖1 小孔出入口形貌

圖2 小孔孔壁微觀形貌

       首先，課題組提出了兩步飛秒激光旋切加工方法，由底孔加工和成孔加工兩步組成。底孔加工為粗加工，快速將孔打通形成具有排屑功能的底孔；成孔加工為精加工，去除底孔錐度區的材料，加工出近無錐度的成孔。兩者結合解決了SiCf/SiC陶瓷基復合材料小孔加工質量與加工效率難以兼顧的問題。

       此外，課題組提出水導激光環切加工方法，利用高壓水射流引導激光，兼具高效冷卻和沖刷碎屑功能，高速水射流即時排屑避免了二次沉積，持續冷卻抑制了熱累積與熱損傷，具有加工距離長，無加工殘渣和加工效率高等優勢，目前課題組用時90 s加工出直徑400 μm、深徑比10的近無錐度小孔，實現了SiCf/SiC陶瓷基復合材料大深徑比小孔的高質高效加工。

       飛秒激光在抑制加工損傷和實現高精度小孔加工成果顯著，而水導激光在大深徑比和低氧化損傷加工上優勢明顯，兩者優勢互補，可解決SiCf/SiC陶瓷基復合材料小孔加工質量與加工效率難以兼顧的問題，為下一代先進航空發動機核心高溫構件氣膜孔加工提供技術支撐。

       在后續工作中，團隊重點聚焦曲面構件小孔的加工理論與技術研究，突破飛秒激光與水導激光五軸聯動加工技術，實現航空發動機SiCf/SiC陶瓷基復合材料渦輪葉片高溫構件氣膜孔的加工驗證，推動該技術的工程化應用。

參考文獻： 中國光學期刊網

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