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| 邱建荣/刘斌斌等 LAM | 水射流引导激光：平衡光与热的加工艺术 |
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Light: Advanced Manufacturing 深度解读
浙江大学邱建荣教授团队 联合 北京科技大学刘斌斌副教授
水射流引导激光：平衡光与热的加工艺术
近期，浙江大学邱建荣教授团队与北京科技大学刘斌斌副教授在 Light: Advanced Manufacturing 发表了题为“Precise micromachining of carbide reinforced NbMoTaW refractory high entropy alloy with ultrathin heat affected zone by water-jet guided laser technology”的研究论文。
该团队利用水射流引导激光（WJGL）技术对碳化物增强NbMoTaW难熔高熵合金（RHEA）进行了精密加工。得益于协同烧蚀、冷却和碎片去除效果，与传统纳秒激光和飞秒激光加工相比，WJGL实现了更清洁的加工界面和更高的加工质量。值得注意的是，WJGL技术大幅降低了热影响区，并展示了高精度的微加工效果。此外还进一步阐明了材料的去除机理和微观组织演变。这项工作为室温下难加工的高温合金精密制造提供了可靠的途径。
研究背景
高熵合金是极具潜力的结构与功能材料，其中难熔高熵合金具备突出高温力学特性，在航空航天、核电、燃气轮机等极端工况关键构件领域应用前景广阔。然而该类材料高硬、脆性大、导热性差的本征特性，极易引发加工微裂纹与热损伤问题，对室温下的高精度微加工提出了重大挑战。
激光加工是精密微制造的有效技术，然而目前针对难熔高熵合金的加工研究多集中于材料纳米制备与表面改性，而且传统加工方式还会加剧工件热损伤、孔洞与表面缺陷问题。因此，如何克服激光加工过程带来的热影响是提高难熔高熵合金加工制造的关键。
一 什么是水射流引导激光加工技术？
简单来说，这项技术是将激光耦合进入水波导当中。利用高压水射流与保护气体之间的折射率差形成的波导结构，将水射流作为纤芯，保护气体和空气作为包层。因此激光耦合进入直径仅有50微米的水射流后会发生全反射，激光能量在射流中几乎不会发生耗散，因此在加工过程中无需考虑焦点位置与瑞利长度。作为一种高性能精密加工手段，水射流引导激光加工技术融合了激光烧蚀、原位冷却与残渣冲刷等多重作用。该技术可有效抑制热损伤、获得洁净加工界面并保障加工精度，加工优势显著。
图1：水射流引导激光原理。图源：浙江大学
二 水射流引导激光加工有何长处
加工优势1：清洁的加工界面
该研究团队通过对比划槽的微观形貌对多种激光加工效果进行了评估。传统纳秒和飞秒激光加工的沟槽边缘具有明显的熔渣和溅射残留物，并存在明显的锥度。EDS结果表明这些再沉积物主要是氧化物。而WJGL加工的凹槽呈现出垂直的轮廓和更光滑的内壁。这主要得益于水射流的冲刷作用大幅减少了熔渣与溅射物沉积。
图2：CNL与WJGL加工结果对比。图源：浙江大学
加工优势2：超薄热影响区
水射流除了可以减少加工的热量积累，还具有屏蔽空气的保护作用，可以有效减少高温下合金和空气发生的氧化反应。加工后的热影响区（HAZ）的显著特点是更高的氧含量。值得注意的是，WJGL加工后的样品热影响区宽度在298–702 nm之间，而CNL加工后的热影响区宽度为31.6微米。因此WJGL技术有效减少了加工界面的氧化物产生，显著减少了加工影响并最大程度上维持了材料本征特性。
加工优势3：超低锥度钻孔
WJGL技术中激光在水射流中具有更长的能量传输距离和更均匀的能量分布，在提升钻孔质量方面具有显著优势。通过对深径比为3.53的钻孔的表面轮廓进行分析，结果表明孔洞从加工入口到加工出口的半径和表面粗糙度具有高度的一致性，表面粗糙度变化低于1微米。计算出锥度最低仅有0.014°。因此，WJGL技术在低粗糙度、高一致性的微钻孔中具有很高的质量特性。
总结与展望
本研究为RHEA及其他难熔材料提供了一条可靠的途径，并为航空航天和核能领域的RHEA制造铺平了道路。未来对水射流与激光之间耦合机制的研究将有助于提高耦合功率，并引入超短激光以提高加工效率并减少热效应。此外，原位表征技术的发展也将有助于探索WJGL技术对RHEA的加工机理，从而实现对加工参数的精确控制，并进一步提高复杂精密部件的加工质量和效率。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.099
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