水导激光加工铝基碳化硅颗粒金属基复合材料（Al/SiCp MMCs）的机理研究：表面形貌、热影响区与反应机制

本文系统研究了水导激光（WJGL）加工铝基碳化硅颗粒金属基复合材料（Al/SiCp MMCs）的机理，揭示了其在高精度微孔加工中的独特优势。研究表明，WJGL通过激光与水射流的协同作用，实现了无毛刺、热影响区（HAZ）极窄（平均14.2 μm）的高质量加工，并阐明了侧壁周期性波纹、凹坑的形成机制以及SiC颗粒的部分分解和氧化反应，为精密加工难加工复合材料提供了新的技术途径和理论依据。

　　

Highlight

水导激光（WJGL）加工在铝/碳化硅颗粒金属基复合材料（Al/SiC MMCs）上展现出卓越的几何控制能力，能够稳定加工出尺寸误差在135–164 μm范围内、入口圆度误差低至8–15 μm的微孔。激光与水射流的协同作用产生了光滑无毛刺的表面，侧壁呈现出独特的周期性波纹图案和凹坑，本研究详细解释了它们的形成机制。多尺度分析揭示了复杂化合物的形成以及碳化硅的部分分解，同时提供了氧化反应的证据。亚表面区域的热影响区（HAZ）极其狭窄，平均宽度仅为14.2 μm。HAZ内的SiC颗粒承受热机械载荷，可能导致其破裂，并最终影响该区域的材料性能。

Section snippets

Experimental details

水导激光（WJGL）加工是一种结合了水射流与传统激光的先进混合微加工技术[30]。在WJGL中，高能激光束通过聚焦透镜射入水腔，并耦合到高速水射流中。由于空气和水之间的折射率差异，在水-气界面发生全内反射，使得水射流能够作为光波导，将激光束引导至工件表面进行材料去除。

Experiment results of WJGL machining

由于涉及复杂的物理机制，材料经WJGL加工后的性能仍未被充分理解。本章节系统评估了孔的质量特性及潜在的材料去除机制。此处，入口表面定义为WJGL首次接触材料的初始工件表面（加工孔的上表面），而出口表面指的是WJGL完全穿透工件后的最终工件表面。

Discussion

水导激光加工中的高压水流对加工孔的表面形貌和几何精度起着决定性作用。然而，孔内壁的形态与激光功率有关。除功率外，进给速度也影响内壁形态。具体公式如下：L_patterns 表示相邻两个波纹之间的平均距离，D_n 表示加工孔的直径，H表示工件厚度，t表示加工时间。

Conclusion

一项关于水导激光（WJGL）加工铝/碳化硅颗粒金属基复合材料（Al/SiC MMCs）的综合研究，为该技术作为先进非接触式加工技术的可行性提供了关键见解，涉及几何精度、表面形貌、材料相互作用机制以及近表面特性。主要发现及其意义总结如下：

• •
  1)

  WJGL在微孔几何形状控制方面表现出色。