飞秒激光与水导激光钨合金精密加工的对比研究

《Optics & Laser Technology》：Comparative study on precision machining of tungsten alloy by femtosecond laser and water-jet guided laser

　　

摘要

钨合金因其卓越的机械性能和热物性能，已成为航空航天基础设施、核动力系统和国防工程等高端战略领域的核心结构材料。然而，其固有的高熔点和极高硬度对高精度微加工构成了严峻限制，严重制约了钨合金微型部件的高质量制造。本文选用飞秒激光（fs激光）和水导激光（WJGL）技术，对钨合金的精密微加工进行研究。由于飞秒激光和水导激光的工作原理存在本质差异（如脉冲宽度、波长和冷却机制不同），本对比研究分别在各方法的优化工艺参数下进行。对比结果表明，水导激光在槽道锥度质量、表面清洁度和加工效率方面相较于飞秒激光具有显著优势。通过系统优化工艺参数，水导激光能够实现钨合金的高精度加工，并获得2.49 μm的表面粗糙度、0.4°的锥角以及21 × 10^-3 mm³/s的材料去除率（MRR）。进一步的元素组成和形貌分析表明，水导激光在加工过程中能有效抑制氧化，其氧含量仅为3.75%，远低于飞秒激光加工件的16.84%。这种高效的抑氧化效果和熔凝层的显著减少，根本原因在于水射流的持续冷却和冲洗作用。最终，通过水导激光成功加工出高质量的钨合金微型探针，其切削刃口完整锐利、崩边极小、热影响区（HAZ）得到有效抑制，尺寸公差控制在0.46%以内。本研究为硬脆材料精密加工提供了一种高效且优越的解决方案。

引言

钨合金是由刚硬的钨颗粒和可塑性结合相组成的两相复合材料[1]。凭借高密度、优异的机械强度、超高温熔点以及出色的耐腐蚀稳定性，这类材料已广泛应用于核工程、国防和航空航天领域[2]，[3]，[4]。粉末冶金技术能够实现钨合金部件的近净成形制造[5]。然而，其固有的缺点，包括粉末流动性差和烧结收缩的各向异性，严重限制了具有复杂几何形状和高尺寸精度的部件制造[6]，[7]。因此，后处理加工成为满足工程应用所要求的严格尺寸公差和表面质量标准的必要手段。遗憾的是，钨合金具有极高的硬度和弹性模量，为传统机械加工带来了巨大障碍。传统切削通常导致结构完整性受损、残余应力过大、切屑黏附以及刀具严重磨损[8]，[9]，[10]。电火花加工（EDM）作为一种无宏观切削力的非接触加工方法，为制造复杂钨合金结构提供了一种可行的替代方案[11]。然而，电火花加工依赖于热蚀除，不可避免地产出熔凝层、微裂纹和氧化物残留等表面缺陷[12]，[13]。这些缺陷损害了表面完整性，降低了钨合金零件的使用性能和服务寿命。此外，钨合金的高电导率加速了电极侵蚀，进一步制约了整体加工效率。

激光加工是一种非接触式精密制造技术，被广泛应用于硬脆材料的加工。传统长脉冲激光（如纳秒激光）依靠热熔化机制实现高效材料蚀除。Xu等[14]开发了一种纳秒激光辅助铣削技术，可在钨合金表面形成改性层，显著降低切削力和刀具磨损，同时提高加工效率。然而，该技术存在加工区域热积聚严重的问题，由此产生较大的热影响区，降低了加工件的尺寸精度。与长脉冲激光相比，飞秒激光（fs激光）具有超短脉冲宽度和极高峰值功率。这些特性使其能够实现精确定向的材料去除，同时将周围热损伤降至最低，从而实现所谓的"冷加工"[15]。凭借这些独特优势，飞秒激光加工已被广泛用于蓝宝石[16]、单晶硅[17]、碳化硅[18]和硬质合金[19]等硬脆材料的精密制造。该技术有望解决钨合金部件精密加工的难题。

水导激光（WJGL）作为一种创新的加工技术引起了广泛关注。基于全内反射原理，激光束稳定耦合进高压水射流中，可实现超过50 mm的长工作距离[20]。激光能量沿水射流的均匀分布显著提高了材料去除率（MRR），而持续的水流提供了有效的冷却和碎屑清除，从而最大限度减少热损伤并改善表面质量[21]。由于这些优势，水导激光已被广泛用于难加工材料的精密加工。Wei等[22]比较了水导激光和飞秒激光对SiC/SiC陶瓷基复合材料的加工性能。研究发现，水导激光可确保更清洁的表面形貌，并有效抑制加工过程中的氧化损伤。Chen等[23]考察了激光能量、扫描速度和气体流量对水导激光加工单晶金刚石的影响。他们获得了优异的表面形貌（Sa/Sz = 149.9 nm/1.503 μm）和22.976 × 10^-3 mm³/s的材料去除率（MRR）。Wang等[24]通过在8.5 mm厚的热障涂层合金上加工高精度45°倾斜膜冷却孔（长径比为20:1），进一步验证了水导激光出色的加工能力。Jiao等[25]提出了一种理论模型，用于表征水导激光与304不锈钢之间的相互作用。基于模拟结果，研究了304不锈钢表面熔凝层的形成机制和演化规律。鉴于这些已验证的能力，水导激光是加工钨合金的一种有前景的方法。尽管如此，关于其在钨合金加工中应用的系统性研究仍然稀少，加工过程背后的机制仍有待深入阐明。

本研究系统比较了飞秒激光和水导激光对钨合金的加工性能，重点研究了关键参数（包括重复频率、激光功率、扫描速度和水压）对材料去除率、切割锥度和表面形貌的影响。结果表明，水导激光加工在控制槽道锥度、抑制氧化层形成和改善表面质量方面具有显著优势。利用水导激光的独特优点，已成功制备出高精度的钨合金探针。凭借其突出的技术优势，水导激光展现出作为高熔点、超高硬度、低加工性能材料精密加工方法的巨大潜力。这些发现为航空航天和核动力设备制造等高需求领域精密加工技术的发展提供了有价值的见解和参考。

各章节摘录

系统搭建

图1(a)展示了飞秒激光加工系统的原理图。采用武汉安扬激光科技有限公司提供的飞秒激光（1030 nm，63 W，25 kHz ～ 5 MHz，300 fs ～ 10 ps）作为光源。激光束首先通过光束扩束镜进行扩束，然后由物镜（20×，NA 0.35）聚焦到样品前表面，形成直径约为13 μm的光斑。样品通过三轴运动平台进行精确定位。工作期间，

飞秒激光加工参数对钨合金的影响

激光加工性能主要由能量沉积决定，而能量沉积又由激光功率、扫描速度和重复频率等关键工艺参数决定。本节通过飞秒激光对钨合金进行槽道加工，每条槽道均经单次切割完成，以考察这些加工参数对表面质量和切削效率的影响。所有实验中的脉冲宽度均固定在300 fs。为研究脉冲

结论

本研究采用水导激光和飞秒激光技术对钨合金进行微制造，并系统研究了关键工艺参数（重复频率、扫描速度和激光功率）对加工质量的影响。结果表明，水导激光在表面清洁度、槽道锥度控制和切削效率方面相较于飞秒激光具有显著优势。微观形貌表征显示，

作者贡献声明

冯泽奇：撰写——初稿、方法论、数据整理、概念构思。孙胜志：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、形式分析。朱华中：撰写——审阅与编辑、概念构思。姚恒：撰写——审阅与编辑、调查研究、概念构思。邱建荣：方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（基金号62405150、52432001、U23A20370）和宁波市自然科学基金（基金号2023 J120）的资助。作者还感谢湖州市自然科学基金（基金号2022YZ16）的经费支持。

冯泽奇|孙胜志|朱华中|姚恒|邱建荣