激光加工是利用能量密度極高的激光束作用于工件，使材料瞬間熔化或氣化，同時在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開，從而實現(xiàn)切割、鉆孔等操作的加工工藝。但該工藝易引起工件表面附近的熱損傷，且易造成熔融微粒污染，制約了其在硬質(zhì)材料及精密加工制造領域的應用。

1993年，瑞士科學家Beruold Richerghagen首次提出了水導激光加工技術，水導激光技術技術又稱微射流激光加工技術。隨后，一系列針對不同堅硬材料的微射流激光加工的研究在全球范圍內(nèi)展開。在航空航天領域，材料通常具有高比強、比模量、高硬度、耐磨性好和高耐熱性等特性，例如金屬基復合材料、鈦合金、鎳基合金、碳纖維增強復合材料（CFRP）、陶瓷基復合材料（CMC）以及陶瓷材料等，它們被廣泛用于飛機、衛(wèi)星、噴氣發(fā)動機、導彈和美國國家航空和航天局（NASA）的航天飛機。

微射流激光鉆孔

噴氣發(fā)動機是現(xiàn)代航空器和航天器的核心動力系統(tǒng)，需要在高壓和高溫的環(huán)境中運行，渦輪是航空發(fā)動機中熱負荷和機械負荷最大的部件，其中一級、二級渦輪葉片的工況尤為惡劣，工作中持續(xù)承受高溫高壓燃氣的沖擊。渦輪葉片的高效氣膜冷卻直接影響航空發(fā)動機和燃氣輪機的最高工作溫度，進而影響系統(tǒng)的可靠性、能量效率等一系列關鍵性能。渦輪葉片冷卻孔的常規(guī)加工技術是EDM鉆孔，但無法加工非導電的熱障涂層，故工藝路線制定為“先制孔后涂層再修整”，這會導致涂層在孔口處堆積，造成縮孔、堵孔等問題，且使氣流出射方向偏離設計要求，進而影響冷卻氣膜的覆蓋效率。而微射流激光技術能夠在帶有熱障涂層的高溫合金上實現(xiàn)一次性制孔。

微射流激光切割

在切割薄的航空航天材料時，傳統(tǒng)切割方法難免產(chǎn)生的熱變形和裂紋，采用微射流激光技術切割減小熱影響區(qū)是解決方法。纖維復合材料的應用比例是飛機先進程度的標志之一。近幾年來，針對采用微射流激光切割碳纖維增強復合（CFRP）材料，國內(nèi)各大高校紛紛開展了相關研究，研究發(fā)現(xiàn)納秒激光切割中幾百微米的熱影響區(qū)可通過水導激光切割降低為僅幾十微米；對于幾毫米厚的材料，單邊錐度可減小11.8%至2°~3°左右。由于激光與水射流同軸，高速水射流的沖刷作用可使熔融物更快排出，冷卻作用使熱影響區(qū)更小，槽道內(nèi)壁干凈，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現(xiàn)象。

傳統(tǒng)激光與微射流激光加工碳纖維復材對比

微射流激光技術優(yōu)勢

微射流激光在加工的過程中，激光對材料進行照射，使其局部加熱，溫度快速上升，從而對材料進行升華，并通過射流所產(chǎn)生的沖刷力，將雜質(zhì)全部帶走。與常規(guī)激光工藝相比，微射流激光技術能夠?qū)崿F(xiàn)特定復雜形狀的微結構加工，包括直接加工帶涂層的渦輪葉片等優(yōu)勢。傳統(tǒng)加工方法難以同時滿足精度和效率的要求，而微射流激光加工技術則憑借其高能量密度和精細冷卻效果，能夠精確加工這些高性能材料，減少熱影響區(qū)，具有表面質(zhì)量高，圓度、錐度良好，效率極高等優(yōu)勢，防止材料變形和性能劣化，從而確保零部件的質(zhì)量和可靠性。

微射流激光技術工作原理圖

目前，微射流激光加工已進入產(chǎn)業(yè)化階段，其應用范圍日益擴大。其對各種脆堅硬的材料都有很強的切割能力。該材料在汽車，通訊，航空，信息，生物醫(yī)學，軍事，科研等各個方面都有重要的應用。微射流激光加工是一種干凈、可靠、高精度和靈活的加工技術，較于傳統(tǒng)激光加工在材料上產(chǎn)生熱損傷和殘留物，在航空航天領域有著廣闊的應用前景。