水射流引導激光技術有效減少高溫合金加工中的熱損傷超過 99%

一種名為水射流引導激光（Water-Jet Guided Laser，簡稱 WJGL）的技術可能會解決在製造高強度金屬材料（即耐火高熵合金）方面的一大障礙。耐火高熵合金（RHEAs）在現代冶金學中被譽為絕對的明星材料。這些材料能夠在極端環境中生存，這些環境會使標準鎳基超合金熔化，因此在下一代航空航天引擎、核反應堆和燃氣渦輪中至關重要。然而，RHEA 的高硬度、脆性及低熱導電性使其在加工上面臨挑戰，因為標準的高功率激光會引發嚴重的熱衝擊、裂紋、氧化和熔渣問題。

水射流引導激光技術概述

水射流引導激光技術通過將激光引入微觀水射流中來克服這一挑戰，精確切割材料的同時冷卻表面並清除殘留物。在測試中，中國的團隊將熱損傷降低了超過 99％，防止了結構缺陷，並實現了可應用於極端環境（如航空航天引擎和核反應堆）的無瑕疵、高精度微型元件。

水射流引導激光技術是一種精密製造方法，將高功率激光置於微觀的 50 微米高壓水流中，並以保護氣體包圍。由於水核心與氣體包層之間的折射率差異，水射流充當了一種液體光波導。這一設計通過全內反射不斷反射激光，克服了對焦點或雷利長度調整的需求。這種混合方法同時整合了三項關鍵功能：激光燒蝕、原位水冷卻和實時清理殘留物。它減少了熱損傷，清洗熔融的殘渣，並實現了極其乾淨和高精度的微加工。

技術優勢與性能

水射流引導激光技術在加工難以處理的合金時提供了三個明顯的處理優勢。首先，水射流的持續清理作用去除了熔渣和氧化噴濺殘留物，產生了光滑的加工界面，內壁平滑且垂直凹槽輪廓。其次，這一技術的真正勝利在於其留下的損傷程度之少。當傳統的納秒激光（CNL）切割 RHEAs 時，該技術會使周圍金屬產生過熱，形成寬度可達 31.6 微米的巨大“熱影響區”（HAZ）。這種熱損傷可能會嚴重削弱元件的性能。

而 WJGL 將損傷邊緣壓縮至僅 298 至 702 納米，實現了高達 99.1％ 的熱影響減少。水的屏蔽作用防止了熱金屬與空氣中的氧反應，確保熱量僅限於目標區域，合金的內部微觀結構保持完好。最後，液體波導內激光能量的均勻分佈使得超低斜度鑽孔成為可能，保持高度一致性，深微孔的表面粗糙度變化低於 1 微米，斜度可低至 0.014°。

與現有方法相比，標準激光設置迫使工程師不斷擔心焦距、光束強度和熱積累。利用液體波導技術，水射流引導激光技術消除了管理焦點定位或雷利長度的需求，允許激光束在更長距離內以一致的強度傳輸。這種穩定的能量傳遞，加上即時的原位冷卻，有效解決了傳統納秒和飛秒激光微加工過程中通常困擾合金的嚴重熱損傷、微裂紋和結構缺陷。最終，WJGL 將為 RHEAs 提供可靠的高精度製造路徑，保留合金的內在機械性能，適用於航空航天、核能和燃氣渦輪等應用。

水射流引導激光技術的潛力

水射流引導激光技術的出現為高強度金屬材料的加工提供了一個突破性的解決方案。傳統激光在加工耐火高熵合金時常常面臨熱損傷和結構缺陷的挑戰，而這項新技術通過水射流的冷卻和清理作用，有效降低了熱影響區，保持了合金的內部結構。這不僅提升了加工精度，也為航空航天、核能等高要求應用領域提供了可靠的製造途徑，顯示出其在未來工業應用中的巨大潛力。