金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910180536.9 (22)申请日 2019.03.11 (71)申请人 中国航发北京航空材料研究院 地址 100095 北京市海淀区北京市81号信 箱科技发展部 (72)发明人 王敏涓黄浩李虎黄旭 李臻熙 (74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008 代理人 仉宇 (51)Int.Cl. B23K 26/364(2014.01) B23K 26/60(2014.01) (54)发明名称 一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法 (57)摘要 本发明属于金属基复合材料。

2、研究领域， 具体 涉及一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法。 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽， 可以保证SiC纤维在箔材表面排布均匀， 且避免 了纤维滑动引起的纤维碰撞而带来的性能损伤。 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽， 槽型和尺寸易控制。 采用激光刻蚀法在金属箔材 表面刻蚀凹槽， 可适用的金属材料种类范围广。 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽， 刻槽 后凹槽表面光滑无毛刺。 采用激光刻蚀法在金属 箔材表面刻蚀凹槽， 热影响区小， 对箔材成分和 组织不会有明显改变。 采用激光刻蚀法在金属箔 材表面刻蚀弧形凹槽， 具有速度快， 工艺路线简 单， 降低了生产成本。 权利要求。

3、书1页 说明书4页 附图4页 CN 109894751 A 2019.06.18 CN 109894751 A 1.一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 包括如下步骤： 步骤1、 对金属箔基材表面进行抛光和清洁， 并在金属箔基材表面标记出平行的纤维定 位线， 纤维定位线至少为一条， 以所述纤维定位线作为激光刻蚀的基准线； 步骤2、 将激光垂直于金属箔基材表面沿着基准线进行刻蚀， 形成垂直于金属箔基材表 面的初槽； 步骤3、 将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀， 且在刻蚀前使激光从垂直 于金属箔基材表面的位置， 以得基准线作为转轴正向摆动角度a进行刻蚀， 35 a55 ； 步骤4、 。

4、将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀， 且在刻蚀前使激光从垂直 于金属箔基材表面的位置， 以得基准线作为转轴反向摆动角度a进行刻蚀， 35 a55 ； 形成 纤维丝凹槽， 所述纤维丝凹槽的槽宽为95105 m。 优选是100 m。 2.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 纤维 定位线至少为一条， 每条纤维定位线的间距至少为200 m。 3.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 步骤 3的摆动角度a的绝对值与步骤4的摆动角度b的绝对值相同或不同。 4.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特。

5、征在于： 以步 骤3和步骤4为一个刻蚀周期， 沿着基准线刻蚀两个周期以上。 5.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 所述 金属箔基材表面包括基材正面和基材反面， 且基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定 位线位置错开。 6.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 在金 属箔基材中间区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且基材正面的纤维定位线 与基材反面的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽； 在金属箔基材左侧区域的 基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽， 基材反面为平面； 在金属箔基材右侧 区域的。

6、基材反面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽， 基材正面为平面。 7.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 在金 属箔基材中间区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且基材正面的纤维定位线 与基材反面的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽； 在金属箔基材一侧区域的 基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽， 基材反面为平面； 在金属箔基材另一 侧区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且基材正面的纤维定位线与基材反面 的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽。 8.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 。

7、其特征在于： 所述 金属箔为TC17钛合金箔或铝合金箔。 9.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 纤维 为SiC纤维。 10.根据权利要求1所述的一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 其特征在于： 角 度a为45 。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109894751 A 2 一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法 技术领域 0001 本发明属于金属基复合材料研究领域， 提供了一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻 蚀方法。 背景技术 0002 SiC纤维增强金属基复合材料中以SiC纤维增强金属基复合材料(SiCf/Ti复合材 料)最为典型。 SiCf/Ti复合。

8、材料具有高比强度、 高比刚度、 优良的抗蠕变和抗疲劳性能， 被 认为是理想的轻质耐高温结构材料。 在高推重比航空发动机(如压气机叶片、 叶环和涡轮轴 等)和超音速空天飞行器(如飞机蒙皮、 加强筋等)中具有良好的应用前景， 已成为高推重比 航空发动机必须的关键新材料。 0003 SiCf/Ti复合材料常采用基体涂覆法、 箔压法和等离子喷涂法进行毛坯件的制备， 并结合热等静压(HIP)或热压(VHP)方式成型， 成型过程中长时间的高温高压会导致钛合金 发生蠕变变形进而实现致密化。 由于采用基体涂覆法和等离子喷涂法制备复合材料毛坯件 时先驱丝之间存在较多孔隙， 需在后续成型过程中进一步闭合， 因而这。

9、两种方法会带来一 定程度的体积收缩， 造成复合材料部分形状可控性变差。 同时由于采用物理气相沉积法或 等离子喷涂法制备的先驱丝厚度难以完全均匀， 且存在钛合金脱落的可能， 引起复合材料 中SiC纤维互相接触， 带来了应力集中的风险， 严重降低了复合材料的使用性能， 限制了材 料的应用。 箔压法采用纤维-箔-纤维交替叠加排列的方式制备复合材料毛坯件， 并通过热 压成型实现复合材料的致密化。 采用该方法的成本低， 且复合材料变形量易于控制， 因而适 用于制备SiCf/Ti复合材料各类构件。 而针对复合材料的箔压法却面临如下问题： 首先， 传 统的钛合金箔材表面光滑平整， 在铺放SiC纤维时易发生纤。

10、维之间的滑动和接触， 引起复合 材料性能的下降。 其次， 传统的箔与箔之间的缝隙较大， 成型时变形量较难控制。 同时， 箔材 的大变形易导致SiC纤维受到损伤。 以上情况对复合材料构件的制备带来了不利的影响， 因 而急需开发钛合金箔材的刻槽技术， 以满足固定SiC纤维， 防止纤维发生接触， 同时有效控 制成型时复合材料变形量等复合材料制备的要求。 0004 采用带有弧形凹槽的钛合金箔材用于SiCf/Ti复合材料的研制， 不仅可以保证SiC 纤维在箔上稳定地均匀排布， 避免了因纤维碰撞而引起的应力开裂； 而且通过调节弧形凹 槽的半径和凹槽间距可以有效调控复合材料中的纤维体积分数。 同时复合材料成。

11、型时变形 量更容易控制， 且适用于多种类钛合金基体复合材料的制备， 适用范围广， 同时大幅降低了 制备成本。 而针对钛合金箔材的刻槽方法， 选择激光刻蚀法， 可实现钛合金箔材弧形凹槽的 制备， 故其在复合材料领域具有广泛地应用前景。 0005 发明目的 0006 本发明的目的是： 本发明提供一种适用于金属基复合材料制备用的箔材弧形凹槽 刻槽的方法， 利用激光发射器在金属箔材表面的指定位置刻槽。 采用激光在金属箔材表面 进行扫描， 可以实现半径深度约50 m弧形凹槽的刻蚀。 同时调节激光的能量、 平均功率和聚 焦光斑直径大小， 可以控制凹槽的激光热影响区小于10 m。 此外， 扫描振镜配合光束移。

12、动可 说明书 1/4 页 3 CN 109894751 A 3 以实现弧形凹槽的刻蚀， 且保证箔材刻槽后表面光滑。 采用激光扫描的方法刻槽精度高、 槽 形及尺寸易调节， 可重复性好， 且刻槽效率高， 有利于优化不同纤维体积分数的复合材料制 备时纤维的排布。 0007 本发明的技术方案是： 0008 提供一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法， 包括如下步骤： 0009 步骤1、 对金属箔基材表面进行抛光和清洁， 并在金属箔基材表面标记出平行的纤 维定位线， 纤维定位线至少为一条， 以所述纤维定位线作为激光刻蚀的基准线； 0010 步骤2、 将激光垂直于金属箔基材表面沿着基准线进行刻蚀， 形成垂直。

13、于金属箔基 材表面的初槽； 0011 步骤3、 将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀， 且在刻蚀前使激光从 垂直于金属箔基材表面的位置， 以得基准线作为转轴正向摆动角度a进行刻蚀， 35 a55 ， 优选为45 ； 0012 步骤4、 将激光沿着基准线再次对金属箔基材表面进行刻蚀， 且在刻蚀前使激光从 垂直于金属箔基材表面的位置， 以得基准线作为转轴反向摆动角度a进行刻蚀， 35 a55 ， 优选为45 ； 形成纤维丝凹槽， 所述纤维丝凹槽的槽宽为95105 m。 优选是100 m。 0013 进一步的， 纤维定位线至少为一条， 每条纤维定位线的间距至少为200 m。 0014 进一步。

14、的， 步骤3的摆动角度a的绝对值与步骤4的摆动角度b的绝对值相同或不 同。 0015 进一步的， 以步骤3和步骤4为一个刻蚀周期， 沿着基准线刻蚀两个周期以上。 0016 进一步的， 所述金属箔基材表面包括基材正面和基材反面， 且基材正面的纤维定 位线与基材反面的纤维定位线位置错开。 0017 进一步的， 在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且 基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽； 在 金属箔基材左侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽， 基材反面为平 面； 在金属箔基材右侧区域的基材反面标记纤维定位线并蚀刻成。

15、所述纤维丝凹槽， 基材正 面为平面。 0018 进一步的， 在金属箔基材中间区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且 基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽； 在 金属箔基材一侧区域的基材正面标记纤维定位线并蚀刻成所述纤维丝凹槽， 基材反面为平 面； 在金属箔基材另一侧区域的基材正面和基材反面， 均标记纤维定位线， 且基材正面的纤 维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开， 并蚀刻成所述纤维丝凹槽。 0019 本发明的优点是： 第一， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽， 可以保证 SiC纤维在箔材表面排布均匀， 且避免了纤维滑动引起的纤维碰。

16、撞而带来的性能损伤。 0020 第二， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽， 槽型和尺寸易控制。 0021 第三， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽， 可适用的金属材料种类范围广。 0022 第四， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽， 刻槽后凹槽表面光滑无毛刺。 0023 第五， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀凹槽， 热影响区小， 对箔材成分和组织 不会有明显改变。 0024 第六， 采用激光刻蚀法在金属箔材表面刻蚀弧形凹槽， 具有速度快， 工艺路线简 说明书 2/4 页 4 CN 109894751 A 4 单， 降低了生产成本。 0025 第七， 采用激光刻蚀法在金属箔材表。

17、面刻蚀凹槽， 环保无污染。 附图说明 0026 图1为不刻槽时纤维发生碰撞的截面图； 0027 图2为步骤2-4中激光束的示意图； 0028 图3为正反面均刻蚀后的箔材； 0029 图4为纤维放入凹槽后的示意图； 0030 图5为金箔一侧基材正面未蚀刻和反面蚀刻的示意图； 0031 图6为金箔两侧正反不同时蚀刻和中间区域蚀刻的示意图； 0032 图7为金箔卷绕后形成平行排列的纤维丝孔的示意图； 0033 图8为本发明的金属金箔卷绕后与钛合金和纤维的爆炸视图。 0034 其中： 1-步骤3的激光束、 2-步骤2的激光束、 3-步骤4的激光束、 4-钛合金封盖、 5- 平行排列的纤维束、 6-钛合。

18、金芯棒、 7-本发明的蚀刻后卷绕的金属箔材、 8钛合金包套。 具体实施方式 0035 本发明技术方案不局限于以下所举具体实施方式， 还包括各具体实施方式间的任 意组合。 0036 实施例1： 0037 采用50mm150mm0.2mm的TC17钛合金箔材作为刻槽对象， 在其表面通过激光刻 蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。 将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内， 抽真空至210- 3Pa。 调节激光器与箔材相对位置， 设置激光波长1030nm， 扫描速率2mm/s， 激光重复频率 300kHz， 激光功率50W。 当沿着基准线完成凹槽刻蚀后， 将激光沿与基准线垂直方向移动200 m， 在相邻的纤维。

19、丝定位线处进行下一凹槽刻蚀， 并依次完成所有凹槽刻蚀； 当箔材基板材 正面完成凹槽刻蚀后， 取出TC4钛合金箔材， 翻转到未刻蚀的箔材板材反面并依次完成所有 凹槽刻蚀， 取出TC17钛合金箔材。 其中， 所述金属箔基材表面包括基材正面和基材反面， 且 基材正面的纤维定位线与基材反面的纤维定位线位置错开。 0038 实施例2： 0039 采用50mm150mm0.2mm的TC17钛合金箔材作为刻槽对象， 在其表面通过激光刻 蚀的方法刻蚀箔材单面凹槽。 将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内， 抽真空至210-3Pa。 调 节激光器与箔材相对位置， 设置激光波长1030nm， 扫描速率4.5mm/s。

20、， 激光重复频率600kHz， 激光功率70W。 当沿着基准线完成凹槽刻蚀后， 将激光沿与基准线垂直方向移动200 m， 在相 邻的纤维丝定位线处进行下一凹槽刻蚀， 并依次完成所有凹槽刻蚀， 取出TC17钛合金箔材。 0040 实施例3： 0041 采用100mm150mm0.5mm的TC4钛合金箔材作为刻槽对象， 在其表面通过激光刻 蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。 将TC17钛合金箔材固定在工作腔体内， 抽真空至210- 3Pa。 调节激光器与箔材相对位置， 设置激光波长1030nm， 扫描速率5mm/s， 激光重复频率 600kHz， 激光功率60W。 当沿着基准线完成凹槽刻蚀后， 将激光。

21、沿与基准线垂直方向移动200 m， 在相邻的纤维丝定位线处进行下一凹槽刻蚀， 并依次完成所有凹槽刻蚀； 当箔材基板材 说明书 3/4 页 5 CN 109894751 A 5 正面完成凹槽刻蚀后， 取出TC4钛合金箔材， 翻转到未刻蚀的箔材板材反面并依次完成所有 凹槽刻蚀， 取出TC17钛合金箔材。 0042 实施例4： 0043 参照实施例3， 采用150mm200mm0.2mm的AlFeSiMo铝合金箔材作为刻槽对象， 在其表面通过激光刻蚀的方法刻蚀箔材双面弧形凹槽。 将xx铝合金箔材固定在工作腔体 内， 抽真空至210-3Pa。 调节激光器与箔材相对位置， 设置激光波长1030nm， 扫描速率8mm/ s， 激光重复频率800kHz， 激光功率80W。 说明书 4/4 页 6 CN 109894751 A 6 图1 图2 说明书附图 1/4 页 7 CN 109894751 A 7 图3 图4 图5 图6 说明书附图 2/4 页 8 CN 109894751 A 8 图7 说明书附图 3/4 页 9 CN 109894751 A 9 图8 说明书附图 4/4 页 10 CN 109894751 A 10 。