《Optics & Laser Technology》：An efficient near-zero taper UV nanosecond laser two-step drilling method for film cooling holes in SiC
f/SiC composites
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紫外纳米秒双步旋转激光钻孔技术用于加工4.9mm厚SiC_f/SiC复合材料0.5mm直径冷却孔，通过预钻孔消除传统工艺热影响区大、锥度高等问题，优化后的孔形精度达锥度0.091°，总加工时间30.8秒。
Jinxuan Bai|Kunran Huang|Zhiwei Xu|Na Qin|Linmao Qian
西南交通大学机械工程学院，中国成都
摘要
本研究介绍了一种混合紫外（UV）纳秒双旋转激光钻孔技术，用于高质量地制造直径为0.5毫米的薄膜冷却孔，应用于厚度为4.9毫米的碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）复合材料中。该技术解决了传统激光钻孔方法存在的问题，如较低的烧蚀效率、较大的热影响区（HAZ）以及明显的锥度。首先，采用变焦、分层双旋转扫描策略预先钻孔，以促进热量散发并增强碎屑烧蚀效果。随后进行精确重塑处理，优化孔的几何形状和内壁形态。通过对各种加工参数的系统分析，重点研究了预钻孔尺寸对重塑后孔性能的影响。结果表明，所提出的两步钻孔技术显著提高了薄膜冷却孔的制造效率。初始直径为0.36毫米的孔可在12.1秒内完成钻孔，然后通过11.5秒的重塑处理达到最终直径0.5毫米，并且锥度为0.091°。此外，通过适当匹配预钻孔直径与目标尺寸，可以最小化孔入口和出口处的热量积聚及熔融附着物，从而获得更好的成型效果。最终实现了锥度接近零的孔（0.012°），总加工时间为30.8秒。由于其高稳定性和精度，该方法在厚SiCf/SiC组件的薄膜冷却孔制造中具有显著潜力。
引言
碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）复合材料因其优异的高温耐受性、抗氧化性和低热膨胀系数而在航空航天工业中得到广泛应用。这些材料常用于制造关键部件，如燃烧室、涡轮叶片、喷嘴和热防护系统[1]、[2]、[3]。例如，在涡轮发动机中，提高推力和推重比的一个关键方法是提高进气温度，这需要进气温度超过2000 K[4]、[5]、[6]。为了进一步提高SiCf/SiC复合材料的耐高温性能，采用了薄膜冷却技术。该技术包括在叶片的前缘、压力面、吸力面和尖端区域战略性地布置大量直径约0.5毫米的薄膜冷却孔（深度与直径的比例可达10:1）[7]、[8]。需要注意的是，这些孔的几何精度和相应的内壁质量是影响部件功能性能的关键因素[9]。因此，实现高效、精确和高质量的薄膜冷却孔制造对于确保SiCf/SiC复合材料的可靠运行至关重要。
通常，由于SiC本身的硬度和脆性[10]，传统的机械钻孔方法会导致较大的切削力和严重的工具磨损[11]。Chen等人[12]指出，工具振动会破坏钻孔过程，导致表面粗糙度异常。因此，提出了非传统的钻孔方法，如超声振动辅助加工、电火花加工、磨料水射流加工等[13]、[14]、[15]。Xu等人[16]证明，高频超声振动辅助钻孔（UAD）的钻孔力比低频UAD和传统加工方法分别降低了47%和81%，从而提高了孔壁质量。然而，仍存在一些挑战，如出口性能不佳和明显的工具磨损问题。Wei等人[17]研究了SiCf/SiC复合材料的电火花加工过程，发现陶瓷基体的去除是通过裂纹扩展和剥离实现的。不过，这一过程不可避免地会导致孔壁严重损坏。Dong等人[18]使用飞秒激光水辅助钻孔方法在SiCf/SiC复合材料中制造了高长宽比的微孔。结果表明，高压水射流的冲击会导致基体过度去除，从而产生不均匀且波浪状的孔壁。总体而言，上述加工方法存在精度低、热影响区（HAZ）严重和孔壁粗糙度大的问题，无法满足薄膜冷却孔的质量要求。
相比之下，激光钻孔是一种非接触式、高能量密度的加工方法，具有很高的灵活性和适应性，是制造高质量微孔的关键技术[19]、[20]、[21]。Wang等人[22]进行了纳秒脉冲激光加工实验，研究了基体密度对烧蚀表面形态的影响。他们发现，在高密度样品中，熔融材料会使切割表面更加光滑。Li等人[23]研究了不同皮秒激光烧蚀参数（如加工模式和激光功率）对钻孔区域表面形态的影响。结果表明，与单环线加工模式相比，螺旋线模式能更有效地生成圆形孔。Zhou等人[24]研究了皮秒激光烧蚀SiCf/SiC复合材料过程中的损伤演变和烧蚀行为。他们发现，脉冲能量、频率和倾斜角度会影响孔壁粗糙度和材料去除率。Liu等人[25]研究了不同飞秒激光加工条件对微孔表面形态和几何形状的影响。Dong等人[26]指出了飞秒脉冲激光钻孔SiCf/SiC复合材料时的螺旋扫描单层烧蚀机制。他们发现，随着能量密度的增加，表面SiO2产物的生成量也会增加。值得注意的是，与长波长激光（中红外和红外）相比，紫外（UV）激光辐射具有更高的吸收系数，这可以减少烧蚀损伤并提高热影响区（HAZ）的可控性[27]、[28]。Xu等人[29]提出了一种基于焦点增量的UV纳秒激光切割工艺，并证明锥度的形成受多种因素影响，如焦点增量、激光光束特性、入射角和材料属性。在117.58秒内形成了高质量的加工表面（Sa 366.92纳米）。Zhang等人[30]对SiCf/SiC复合材料进行了UV激光螺旋轨迹钻孔，成功在2.3毫米厚的样品中制造了直径为0.62毫米、锥度为0.4°的孔，整个过程用时10分钟。孔壁表面没有出现纤维拔出、基体裂纹、撕裂或分层现象。然而，必须认识到，在激光钻孔过程中，热影响区（HAZ）的形成和孔锥度的产生几乎是不可避免的，分别由热量积聚[31]和菲涅尔吸收[29]引起。
为了解决上述问题，学者们提出了一种创新的两步钻孔方法[32]、[33]。其基本原理是首先通过激光钻孔创建一个通孔，为后续的精确重塑建立稳定的碎屑去除通道。然后进行精确重塑，以优化孔壁形态、最小化锥度并控制热影响区（HAZ），如图1所示。Cao等人[34]介绍了一种工艺：首先使用激光钻孔创建通孔，然后利用水辅助激光加工进行重塑。通孔的最佳生成时间为约100秒，后续重塑过程约为96秒，最终得到一个入口直径为423微米、锥度为0.36°的微孔。Yang等人[35]、[36]结合飞秒激光螺旋切割技术和两步钻孔技术，成功制造了直径为300微米、长宽比为10:1、锥度为0.03°的薄膜冷却孔。此外，Li等人[37]使用飞秒激光通过两步螺旋钻孔方法在SiCf/SiC复合材料中钻出了倾斜孔，获得了直径为500微米、长宽比为7:1、倾斜角度为45°的微孔。然而，当前的两步钻孔技术在处理厚度超过3毫米、长宽比大于10:1的SiCf/SiC复合材料样品时仍存在效率问题。实现高效、高性能和近乎零锥度的钻孔仍是一个关键技术难题，相关研究较少。此外，表1总结了不同激光类型、加工方法和关键指标的代表性通孔钻孔结果。
本研究采用基于焦点增量的双旋转激光钻孔（F-DRLD）方法，专门针对SiCf/SiC复合材料进行了两步激光钻孔技术的研究。与传统的双螺旋钻孔方法[35]、[36]、[38]不同，该方法采用了旋转工作台，使样品在加工过程中能够均匀旋转。同时，激光光束沿光轴呈圆形路径运动，保持与样品表面特定区域固定的偏心距离，从而保持一致的入射角度。通过保持加工区域静止，可以更精确地控制保护气体流动，优化烟尘去除并减少气体湍流对孔壁完整性的负面影响。本研究首先优化了针对不同目标直径的预钻孔条件，并确定了实现高性能通孔生成所需的相应焦点增量。随后进行了重塑过程的研究，以明确提高孔直径均匀性、孔壁形态和锥度角的机制。这些发现为SiCf/SiC复合材料中高效制造近乎零锥度的薄膜冷却孔提供了实用方法，表明其在高温航空航天部件中的精密钻孔应用具有巨大潜力。
实验系统与材料
实验使用了一个定制开发的UV纳秒激光钻孔平台，如图2所示。该系统集成了多个关键组件，包括UV纳秒激光源（DS-355–15-SP，PI）、3D高精度动态振镜扫描仪（UV7210-3D-200，Sino-Galvo）、3轴精密运动平台、旋转平台（SGMCS-02B-C11，YASKAWA）和中央控制单元。UV激光束的波长为355纳米，脉冲持续时间为15纳秒。
预钻孔中焦点增量的影响
图5展示了不同中心距离下的激光扫描路径示意图。在固定的激光扫描路径下，调整中心距离对于满足不同直径预钻孔的加工要求至关重要。随着中心距离的减小，钻孔区域中心的重复激光扫描次数增加，这会导致更多的热量积聚，但同时提高了烧蚀效率。
图6展示了加工所需的钻孔时间
结论
本研究开发了一种基于焦点增量的双旋转激光钻孔（F-DRLD）技术，用于高质量地制造厚度为4.9毫米的碳化硅纤维增强碳化硅（SiC
f/SiC）复合材料中的直径为0.5毫米的薄膜冷却孔。该方法结合了变焦、分层双旋转预钻孔步骤和精确重塑过程，以优化孔的几何形状和内壁精度。主要研究成果总结如下：
(1)紫外（UV）纳秒
作者贡献声明
Jinxuan Bai：撰写——原始草稿、监督、资源准备、方法论设计、实验研究、概念构思。Kunran Huang：撰写——原始草稿、数据可视化、软件开发、实验研究、数据分析。Zhiwei Xu：实验研究、概念构思。Na Qin：撰写——审稿与编辑。Linmao Qian：撰写——审稿与编辑、资源协调。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52205496）、国家重点研发计划（项目编号2024YFB4609200）和中央高校基本科研业务费-博士生创新基金（A0920502052501-551）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
