水射流引导激光技术有效减少高温合金加工中的热损伤超过 99%

一种名为水射流引导激光（Water-Jet Guided Laser，简称 WJGL）的技术可能会解决在制造高强度金属材料（即耐火高熵合金）方面的一大障碍。耐火高熵合金（RHEAs）在现代冶金学中被誉为绝对的明星材料。这些材料能够在极端环境中生存，这些环境会使标准镍基超合金熔化，因此在下一代航空航天引擎、核反应堆和燃气涡轮中至关重要。然而，RHEA 的高硬度、脆性及低热导性使其在加工上面临挑战，因为标准的高功率激光会引发严重的热冲击、裂纹、氧化和熔渣问题。

水射流引导激光技术概述

水射流引导激光技术通过将激光引入微观水射流中来解决这一挑战，精确切割材料的同时冷却表面并清除残留物。在测试中，中国的团队将热损伤降低了超过 99％，防止了结构缺陷，并实现了可应用于极端环境（如航空航天引擎和核反应堆）的无瑕疵、高精度微型元件。

水射流引导激光技术是一种精密制造方法，将高功率激光置于微观的 50 微米高压水流中，并以保护气体包围。由于水核心与气体包层之间的折射率差异，水射流充当了一种液体光波导。这一设计通过全内反射不断反射激光，克服了对焦点或雷利长度调整的需求。这种混合方法同时整合了三项关键功能：激光烧蚀、原位水冷却和实时清理残留物。它减少了热损伤，清洗熔融的残渣，并实现了极其干净和高精度的微加工。

技术优势与性能

水射流引导激光技术在加工难以处理的合金时提供了三个明显的处理优势。首先，水射流的持续清理作用去除了熔渣和氧化喷溅残留物，产生了光滑的加工界面，内壁平滑且垂直凹槽轮廓。其次，这一技术的真正胜利在于其留下的损伤程度之少。当传统的纳秒激光（CNL）切割 RHEAs 时，该技术会使周围金属产生过热，形成宽度可达 31.6 微米的巨大“热影响区”（HAZ）。这种热损伤可能会严重削弱元件的性能。

而 WJGL 将损伤边缘压缩至仅 298 至 702 纳米，实现了高达 99.1% 的热影响减少。水的屏蔽作用防止了热金属与空气中的氧反应，确保热量仅限於目标区域，合金的内部微观结构保持完好。最后，液体波导内激光能量的均匀分布使得超低斜度钻孔成为可能，保持高度一致性，深微孔的表面粗糙度变化低于 1 微米，斜度可低至 0.014°。

与现有方法相比，标准激光设置迫使工程师不断担心焦距、光束强度和热积累。利用液体波导技术，水射流引导激光技术消除了管理焦点定位或雷利长度的需求，允许激光束在更长距离内以一致的强度传输。这种稳定的能量传递，加上即时的原位冷却，有效解决了传统纳秒和飞秒激光微加工过程中通常困扰合金的严重热损伤、微裂纹和结构缺陷。最终，WJGL 将为 RHEAs 提供可靠的高精度制造路径，保留合金的内在机械性能，适用于航空航天、核能和燃气涡轮等应用。

水射流引导激光技术的潜力

水射流引导激光技术的出现为高强度金属材料的加工提供了一个突破性的解决方案。传统激光在加工耐火高熵合金时常常面临热损伤和结构缺陷的挑战，而这项新技术通过水射流的冷却和清理作用，有效降低了热影响区，保持了合金的内部结构。这不仅提升了加工精度，也为航空航天、核能等高要求应用领域提供了可靠的制造途径，显示出其在未来工业应用中的巨大潜力。