“工业母机—复合材料加工”专题 | 南京航空航天大学高长水教授团队：静态水环境下的SiC/SiC复合材料纳秒脉冲激光加工特性|sic|南京航空航天大学|材料|母机|特种光纤|纳秒|脉冲

专题文章（六）

作者简介

高长水

南京航空航天大学

研究员、博导

江苏省优秀共产党员
获航空工业部科技进步奖二等奖一项、国防科技进步奖三等奖一项，中国航空学会科技进步三等奖一项
长期从事机电控制、特种加工、制造装备等方面的教学与研究工作

作者简介

刘壮

南京航空航天大学

副教授、硕导

江苏省科技副总
长期从事特种加工、制造装备等方面的教学与研究工作

李晨浩, 刘壮, 刘天瑞, 高长水. 静态水环境下的SiC/SiC复合材料纳秒脉冲激光加工特性[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 55-61. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.006

李晨浩刘壮刘天瑞高长水

（南京航空航天大学机电学院）

研究背景

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）具有密度低、强度高、耐高温等优点，是高性能航空发动机高温部件的理想结构材料。但SiCf/SiC属于难加工材料，采用传统机械加工方法对其进行二次加工时刀具磨损严重，且加工区域易出现微裂纹、崩边等加工缺陷。激光加工技术具有无接触、高效率、高精度、不受工件材料类型和硬度限制等特点，在SiCf/SiC加工方面具有显著优势，但激光加工过程中存在热损伤、熔融物堆积等问题。因此，本研究在SiCf/SiC复材纳秒脉冲激光加工中引入水环境辅助，对加工过程中的热损伤进行抑制。

研究内容

本文搭建静态水环境辅助纳秒脉冲激光加工系统，以SiC/SiC复合材料为对象，开展空气环境与静态水环境下的直线刻槽和环形扫描对比实验，分析水膜厚度、激光功率、重复频率和扫描轨迹间距对加工形貌、槽宽槽深、热影响区及熔融物堆积的影响规律。

研究结果表明，静态水环境能够通过快速冷却、抑制热扩散和空化清洗作用有效抑制热量向基体横向扩散，减弱热影响区和熔融物堆积，使刻槽边缘更加清晰。2 mm水膜条件下加工效果较优，可明显减小槽宽并抑制热影响区；随着激光功率提高，空气和水环境下槽宽、槽深均增加，但水下加工槽宽比空气中小约20%~30%；随着重复频率升高，单脉冲能量降低，槽宽逐渐减小，高频条件下水下槽宽最大可较空气环境降低约79%。同时，水环境中的等离子体屏蔽和空化气泡会影响能量传输，使材料去除速率低于空气环境，需通过功率、频率和扫描参数优化实现加工质量与效率的平衡。环形扫描实验进一步表明，静态水环境可显著改善凹槽形貌，减少重凝层和热损伤，使加工边界更加清晰。

结语

在激光刻槽加工中，静态水环境辅助能有效减少热影响区和熔融物堆积。水下激光环扫加工时，凹槽周围的热影响区相对减小和熔融物堆积现象完全消除。相比空气环境下加工，静态水环境辅助下的加工定域性更好、同时热影响区和熔融物堆积现象得到有效减小，静态水环境对SiC/SiC纳秒脉冲激光热损伤有着很好的抑制作用。

近年团队发表文章

[1]Z. Liu, W. Xu, C. Li, et al. Processing of SiC/SiC composite using an annulus-conical water jet-assisted nanosecond-pulsed laser[J]. Journal of Applied Physics, 2026, 139(1): 013103.

[2]Z. Liu, Y. Tang, Y. Wang, et al. Finishing uniformity enhancement in abrasive water flow polishing of inclined holes using time-division bidirectional flow[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, 138(5-6): 2475-2489.

[3]Z. Liu, T. Liu, W. Zhang, et al. Evaluation and suppression of PET damage in the UV nanosecond laser ablation of an SS304 circuit on a metal/resin composite film[J]. Journal of Laser Applications, 2025, 37(1): 012038.

[4]Y. Wang, Z. Liu, Y. Tang, et al. Improving finishing uniformity using fluid field vibration in abrasive water flow polishing of inclined hole[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2024, 46(12): 705.

[5]Z. Liu, L. Xiao, C. Duan, et al. Abrasive water jet polishing of TBC blocked inclination holes on superalloys using an optimized nozzle[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2024, 46(1): 22.

[6]L. Xiao, Y. Tang, Z. Liu, et al. Fluid characteristics and polishing experiment of inclined hole array using abrasive water flow[J]. Surface Review and Letters, 2023, 31(04): 2450031.

[7]Z. Liu, L. Xiao, X. Liu, et al. Abrasive water flow polishing of superalloy microholes drilled by electrical discharge machining[J]. Precision Engineering, 2023, 84: 110-118.

[8]Z. Liu, C. Gao, L. Xiao, et al. Removing hole blockages from thermal barrier coatings using low-pressure abrasive water jet[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 127(3-4): 1419-1431.

[9]Z. Liu, C. Gao, X. Yu, et al. Improving machining localization in abrasive-assisted electrochemical jet machining of SiCp/Al composites using large standoff distance[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2022, 47(7): 8629-8642.

[10]C. Gao, Z. Liu, T. Xie, et al. Influence of electrical discharge machining on thermal barrier coating in a two-step drilling of nickel-based superalloy[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2021, 46(3): 2009-2020.

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