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SiCp/Al复合材料大比例试样微沟槽加工中，激光切割（LOM）、水下激光切割（ULM）和水流辅助激光切割（WJALM）的机理与性能对比研究表明：WJALM通过水-激光协同作用显著抑制熔铸层和氧化缺陷，提升材料去除效率与表面质量，其薄水膜机制有效清除熔融材料并降低能量衰减。研究为高精度复杂结构加工提供新方法。
童林鹏|韩金金|何斌|郭云霞|马瑞|阿齐布·马舒德·汗|孔林雷|李麒麟|丁凯
江苏工业大学机械工程学院，中国常州213001
摘要
碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）在高性能应用中备受重视，然而传统的加工方法难以实现对高长宽比（LAR）微槽的高精度制造。为了解决这一挑战，本研究系统地比较了三种基于激光的加工工艺：纯激光加工（LOM）、水下激光加工（ULM）和射流辅助激光加工（WJALM）。结果表明，WJALM利用其独特的水-激光协同效应，显著抑制了再铸层和氧化物的形成，同时有效提高了材料去除效率和表面质量。机理分析表明，高速射流形成的极薄水膜是这种优异性能的关键——它高效地清除了熔融材料，同时最小化了激光能量的衰减。本研究为SiCp/Al复合材料的高质量微加工提供了一种新的工艺选择和理论基础。
引言
随着航空航天等先进领域对轻质和高性能材料需求的增加[1]、[2]、[3]，金属基复合材料（MMCs）受到了广泛关注[4]、[5]。碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）[6]作为一种金属基复合材料，以铝为基体，碳化硅颗粒为增强相，具有高比强度和刚度、优异的耐磨性以及低热膨胀系数等优异性能[7]、[8]、[9]。与不含增强相的纯合金相比，SiCp/Al复合材料的性能得到了显著提升[10]、[11]，使其成为需要先进材料性能的下一代应用的理想选择。
传统的减材加工方法，如车削、铣削和磨削，被广泛用于SiCp/Al复合材料的加工[12]。例如，Bhushan等人[13]使用响应面方法模型化了车削过程中切削参数与刀具寿命之间的关系。Bao等人[14]研究了使用多晶金刚石（PCD）刀具铣削高体积分数（65%）SiCp/Al复合材料时的切削机理和材料去除行为。Zhao等人[15]研究了这些复合材料的磨削过程，重点关注表面缺陷、SiC颗粒分布以及各个加工参数对表面和亚表面完整性的影响，阐明了材料去除的机理。然而，这些传统方法往往面临成本、效率以及表面缺陷引入等问题，这些问题可能会影响最终组件的精度。
为了解决上述限制，电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）和纯激光加工（LOM）等非传统方法已被应用于SiCp/Al复合材料的加工[16]、[17]、[18]。Salman Khan等人[19]使用电火花线切割机研究了SiCp/Al的切割性能，并优化了电火花线切割的工艺参数。Suresh等人[20]采用EDM加工SiCp/Al复合材料，并通过正交实验研究了间隙电压、线进给速度、脉冲持续时间等因素对表面粗糙度（Ra）和材料去除率（MRR）的影响。此外，EDM过程中使用的切削液容易积聚去除的材料，造成严重的环境污染，这与国家环境保护策略不符。
激光加工利用激光束与材料之间的相互作用来实现表面处理、焊接、切割、增材制造等加工工艺[21]、[22]。与上述加工技术相比，激光加工具有非接触操作、加工灵活性以及适用于多种材料的独特优势。Zhang等人[23]研究了纳秒脉冲激光辐射与SiCp/Al复合材料相互作用的物理原理。他们的研究结果表明，在激光照射过程中，SiC颗粒在纳秒脉冲下加热更快，将能量传递给基体，导致其熔化和高温溅射。此外，较大的SiC颗粒会限制熔融铝基体池的扩散，加速蒸发同时阻碍进一步的烧蚀。Zhang等人[24]观察到SiC颗粒的膨胀以及激光照射区域内铝基体的凹陷。激光能量密度的增加与表面粗糙度（Ra）从初始值0.5 μm持续增加到4 μm有关。在多次激光烧蚀循环中，增强相和基体的蚀刻机制主要由材料的热学和光学性质以及菲涅尔效应决定。此外，Marimuthu等人[25]研究了毫秒脉冲激光钻孔碳化硅颗粒增强铝基复合材料时的孔形成机制。尽管LOM具有无刀具磨损和材料浪费少的优点，但它会引入热影响区和再铸层等缺陷，从而影响材料的耐用性和疲劳强度。
在激光加工中引入水溶液作为辅助介质可以有效减少纯激光加工过程中产生的热损伤，并显著提高加工效率和质量。由于水具有高比热、优异的热稳定性和化学稳定性（如水下环境中的射流和水射流引导），水辅助激光加工（WALM）是最常用的方法。与LOM相比，WALM可以减少甚至消除热影响区等热缺陷[26]。它在难以加工材料的微结构制造中具有巨大潜力。水下激光加工（ULM）进一步分为静态和动态两种模式。静态模式下的水层有助于产生压力高达数GPa的冲击波，有利于材料去除。此外，静态模式还会引发空化现象[27]，空化气泡的破裂产生的冲击波有助于材料去除。Yan等人[28]采用多种表征方法和热力学理论分析了空气和水中的蚀刻行为和材料去除机制。研究结果表明，由于水层的冷却作用，加工区域的热积累得到缓解，从而减小了热影响区并提高了表面清洁度。根据水射流的布置方式，可分为离轴和同轴配置[29]、[30]。Tiancheng Ai等人[31]使用水射流引导激光（WJGL）加工碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）中的孔，研究了加工结果和背后的机理。结果表明，WJGL能够实现微孔的高精度加工，尺寸误差始终控制在135–164 μm的范围内，入口圆度误差低至8–15 μm。激光与水射流的协同作用产生了光滑无毛刺的表面，而侧壁则表现出周期性的波纹图案和凹坑，其形成机制在本研究中得到了阐明。S. Marimuthu等人[32]研究了水射流引导激光钻孔SiCp/Al的材料去除机制，并将其与传统的激光钻孔进行了比较。实验结果证实，水射流引导激光工艺是加工金属基复合材料等复合材料的优秀技术。在水射流引导激光钻孔SiCp/Al过程中，材料通过冷烧蚀去除，不会在基体内部留下熔融层。无论是柔软的基体还是坚硬的增强颗粒都通过相同的冷烧蚀过程被去除，这与传统的激光钻孔不同，在传统激光钻孔过程中，固态SiC会与熔融铝一起被喷射出来。Qiu等人[33]对LOM和水射流辅助激光加工（WJALM）进行了比较研究，用于制造氧化锆微槽，重点关注表面形态、热影响区、显微硬度、化学成分和相结构。实验结果表明，在水射流的辅助下，氧化锆微槽具有更好的几何形状和更小的热影响区。Wei等人[34]专注于水射流引导激光加工SiC/SiC复合材料，发现水射流引导激光加工保持了表面完整性，有效减轻甚至避免了氧化损伤。此外，研究还证实水射流引导激光加工不会改变基体的内在物理相组成。这些发现为SiC/SiC复合材料的高精度、低损伤加工提供了实证和技术支持。
总之，近年来关于水辅助激光加工的研究证实了其在提高传统微结构加工质量方面的显著效果。然而，这些研究主要集中在传统形态上。特别是关于WJALM在SiCp/Al复合材料应用方面的报道仍然有限，针对这些复合材料制造高长宽比微槽的研究更为稀少。这一研究空白限制了对水辅助激光加工在复杂几何形状和难以加工复合材料方面潜力的深入理解。
基于此，本研究旨在填补这一研究空白。在以往工作的基础上，本研究重点关注高长宽比SiCp/Al微结构，并系统地对比分析了LOM、ULM和WJALM。通过对加工出的微槽的形态、横截面特征、表面化学成分和相组成的表征和比较，并阐明关键加工参数（如脉冲功率、扫描速度）的影响模式，本研究为高精度和高效率激光加工高长宽比SiCp/Al微槽提供了理论基础和实践指导。
实验设备
实验使用JL-F30激光标记机进行，实验装置示意图如图1所示。主要参数列在表1中。激光系统包括激光器、光束扩展器、聚焦透镜、计算机控制系统和工作台，而水射流系统包括可变压力水泵、水管、喷嘴、安装装置、夹具和水箱。喷嘴的直径为0.4 mm。
侧面和顶面形态的对比分析
图3和图4分别展示了具有高长宽比的SiCp/Al微槽的侧面和顶面形态。图5展示了通过三种不同加工方法获得的微槽的3D轮廓特征。
如图3和图4的放大插图所示，LOM加工的SiCp/Al微槽在表面形成了明显的再铸层和大量的絮状粘附物。这种现象归因于相对较长的脉冲持续时间和较高的...
结论
本研究系统地比较了LOM、ULM和WJALM在SiCp/Al复合材料上制造高长宽比微槽的性能。主要发现如下：
材料去除和表面形成：与LOM产生的明显再铸层和氧化物相比，WJALM通过机械剥离和水射流的高效冷却作用几乎完全抑制了再铸层的形成，使烧蚀面积比提高了1.57倍，从而获得了更清洁的表面...
作者贡献声明
童林鹏：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理。韩金金：监督、资源获取、方法论。何斌：数据整理、概念化。郭云霞：方法论、研究。马瑞：验证、监督。阿齐布·马舒德·汗：监督、项目管理、方法论。孔林雷：验证。李麒麟：研究。丁凯：正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们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。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52405484）、江苏省自然科学基金（BK20220692）、国家自然科学基金（52205470）、江苏省高等教育机构自然科学基金（22KJA460004）以及江苏省研究生科学研究与创新计划（SJCX24_1803）的支持。
