帶熱障涂層高溫合金材料飛秒激光制孔工藝試驗研究

溫 嶸,朱文宇,麻丁龍,馬國慶

(1.中國航發西安航空發動機有限公司,陜西 西安 710100;2.中國科學院西安光學精密機械研究所,陜西 西安 710119;3.西安中科微精光子制造科技有限公司,陜西 西安 710119;4.西安工業大學機電工程學院,陜西 西安 710021)

1 引 言

航空發動機渦輪葉片是航空領域的核心部件,渦輪葉片的性能已經成為衡量一個國家航空工業水平的標志。隨著航空技術對發動機要求的日益增長,未來第五代戰機發動機的推重比將高達15～20左右,渦輪前燃氣溫度達2100～2300K。單晶高溫合金葉片由于沒有常規合金的晶界缺陷,可以耐受更高溫度下的交變載荷,但是其熔點也很難超過1500K。面對如此大的溫度缺口,為了保證發動機的穩定工作,必須采取有必要的隔熱與冷卻[1]。

當前,發動機渦輪葉片普遍采用的隔熱方式是在高溫合金上添加熱導率低的熱障涂層(TBCs)來隔絕外部高溫氣流與基體之間的熱交換,包括表面隔熱陶瓷涂層及內部抗氧化金屬粘結層。冷卻主要通過氣膜孔來實現,工作時低溫氣體通過氣膜孔到達葉片表面,然后在葉片與高溫燃氣之間形成一層氣膜,隔絕葉片同高溫燃氣的直接接觸,實現降溫目的[2]。帶熱障涂層葉片的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 帶熱障涂層葉片的工作原理示意圖Fig.1 Working principle diagram of blade with TBC

帶熱障涂層葉片的氣膜孔在加工時需要穿透表面陶瓷涂層、金屬粘結層和高溫合金基體。傳統加工氣膜孔的方法有脈沖激光加工、電火花加工和電解液加工等,這些加工方式均具有較大的熱效應,再者涂層與基體性能之間有差異,不可避免在熱障涂層本身及中間接觸界面產生重鑄層、微裂紋、內壁掛渣以及表面發黑等缺陷。正是如此,使得帶熱障涂層葉片的氣膜孔加工一直未能有大的突破,限制了發動機性能的提升[2]。所以,亟待研究能夠實現帶熱障涂層葉片氣膜孔高效、高質量加工的工藝方法,促進航空發動機的技術革新,推動整個航空事業的發展。

飛秒激光具有脈寬極短、峰值功率極高的特點,可以在材料實現局部熱平衡之前完成能量沉積,實現“冷加工”,具有熱影響區小,無熱熔性損傷,無熱變形等特點[3]。近年來,研究者們將飛秒激光應用于葉片氣膜孔加工中,并取得了一定的成就,但對熱障涂層表面質量及缺陷的控制上還需進一步優化,且各研究者們均未對加工效率做深入研究。本文采用飛秒激光對帶熱障涂層高溫合金進行了微孔加工試驗研究,探索了飛秒激光加工帶熱障涂層材料微孔加工的工藝方法。

2 理論分析

對于不帶涂層的鎳基單晶高溫合金目前已經有成熟的工藝參數可以借鑒,對于氧化鋯涂層的飛秒激光制孔實驗比較少,因此從氧化鋯陶瓷的燒蝕閾值方向進行理論分析,為實際的加工參數提供參考。飛秒激光主要是通過雪崩電離作用和光致電離作用使氧化鋯陶瓷表面產生大量自由電子,電子密度達到臨界密度后通過激光-等離子體相互作用,實現材料的去除。可以通過研究氧化鋯陶瓷材料的表面自由電子密度的變化情況來分析氧化鋯陶瓷材料的燒蝕閾值[4-6]。

在Bloembergen提出的自由電子密度表達式的基礎上,由于飛秒激光的脈寬小于1 ps,可以忽略由載流子擴散與復合引起的電子損失,則可以得出由雪崩電離和光致電離主導的自由電子密度隨時間演化的式(1)[7-8]:

(1)

其中,等號左邊表示電子密度隨時間的變化規律,等號右邊第一項表示由雪崩電離引起的電子密度變化,第二項表示由于多光子電離引起的電子密度變化。

使用Thornber通過實驗和理論分析得到的半經驗公式來計算雪崩電離系數[9]:

(2)

其中,vs表示飽和漂移速率；e表示電子電荷；E表示激光場強；Δ表示禁帶寬度；Ei表示載流子克服電離散射所需的電場強度；Ep表示克服光學聲子散射所需的場強；EKT表示熱散射效應所需的電場強度。通過Keldysh理論來計算光致電離速率,其表達式為式(3)[10]。

其中,K(x)為第一類完全橢圓積分；E(x)為第二類完全橢圓積分；F(x)為道森函數。假設模擬所使用的激光為方形脈沖b(t)=1,則可得激光隨空間和時間的強度表達式(4):

(3)

I(x,t)=I0a(x)b(t)=I0a(x)

(4)

(5)

根據光子與載流子之間的一維比例關系和能量守恒定律可知(6):

(6)

解微分方程(1)和(6)則可以得出自由電子密度[11]:

n(x,t)=

(7)

當自由電子密度達到ncr=1×1021cm-3數量級后,材料開始發生去除。則根據(2)、(3)、(6)式可以得出發生去除時的激光場強,進而得到燒蝕閾值。使用matlab計算,得出雪崩電離速率和光致電離速率與激光場強的關系如圖2所示。

圖2 matlab計算結果Fig.2 Matlab calculation results

結合(5)式即可計算出氧化鋯陶瓷的燒蝕閾值為Fth=1.9 J/cm2,激光的束腰半徑約為20 μm,若使焦點區域內的能量密度均大于氧化鋯陶瓷的燒蝕閾值,根據高斯光束橫截面內的能量密度分布公式(8)和(9):

(8)

(9)

其中,φ0表示激光的峰值能量密度；ω0表示束腰半徑；x表示距離光束中心的距離。結合氧化鋯陶瓷的燒蝕閾值,可以計算出當單脈沖能量約為80 μJ時,理論上焦點區域內的材料都可以被去除。在研究實驗參數時,以此數值為參考調整激光功率和激光重復頻率。

3 試驗方法

試驗材料采用厚度為2.1 mm帶熱障涂層的高溫合金,其中涂層厚度約為0.1 mm。表面陶瓷涂層主要為7 %(wt %)的氧化釔(Y2O3)穩定的氧化鋯(ZrO2),采用電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)制備。金屬粘結層材料主要為金屬合金化合物,高溫合金基體為鎳基單晶高溫合金DD6。

激光器采用通快公司生產的TruMicro5000系列飛秒激光設備,最大輸出功率為40 W,脈沖寬度為900 fs,頻率為200 kHz。試驗中采用激光旋切掃描方式進行,該方法具有掃描路徑可控、能量利用率高的特點。本文的光束掃描示意圖如圖3所示。

圖3 試驗掃描軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of test scanning track

有研究表明,由于涂層材料與基體材料之間性能的差異性,帶熱障涂層葉片氣膜孔制備過程中容易在涂層表面及其與金屬界面分別出現發黑、裂紋等缺陷,嚴重影響孔的質量。本試驗中將制孔階段分為:熱障涂層→涂層與基體界面→高溫合金基體。首先,選取合理的參數在熱障涂層制孔,確保涂層表面清潔、無缺陷；其次,以涂層與基體的界面為過渡區域制孔,保護界面免受損傷；最后為基體制孔階段,需要兼顧效率與質量,即既要保證之前的孔不受影響又要保證制孔效率與孔的整體錐度。

4 試驗結果與討論

圖3為不同參數下表面熱障涂層的形貌,其中進給距離選擇熱障涂層的厚度0.1 mm。可以看出,在相同重復頻率下,隨著激光功率的增加,表面熱障涂層燒蝕發黑現象明顯增加；相同激光功率下,隨著脈沖頻率的增加,表面同樣出現了發黑現象,且伴隨有明顯的脫落現象。其中在激光重復頻率為50 kHz條件下,涂層表面質量整體較好,沒有出現脫落的現象,且隨著功率減小,涂層表面質量越好。

圖4 熱障涂層表面制孔形貌Fig.4 Pore morphology of TBCs

該現象不難解釋為飛秒激光與涂層材料作用過程中由于涂層內部的自由電子數較少,激光與涂層材料作用初期主要過程為激發電離,當電子濃度高達一定程度后才發生電子吸收過程。當作用功率及頻率較大時,高頻激光脈沖伴隨的等離子體蒸汽壓與熱作用對陶瓷層具有雙重的沖擊作用,容易造成材料脫落或形成初期的熱累積。

在激光功率為8 W,重復頻率為50 kHz條件下在熱障涂層獲得了孔徑為0.5 mm表面質量良好,無明顯發黑、脫落等現象的直圓孔。

在此基礎上,繼續進行了帶熱障涂層高溫合金材料剩余金屬基體材料的加工研究。發現當參數控制不當時,將直接破快已加工形成的陶瓷涂層材料,造成表面涂層脫落、開裂的現象。分析原因后可知,由于在界面位置,相鄰材料間熱膨脹系數差異較大,當激光直接作用于界面位置時,瞬時的能量沖擊與金屬排渣很容易造成涂層材料的破壞,如圖5所示。

圖5 界面熱效應造成涂層破壞Fig.5 The interface thermal effect causes the coating damage

為了解決上述問題,制定了在界面處增加過渡參數的方法進行制孔,目的是減少界面處的熱效應,同時滿足金屬材料去除及整體制孔效率等其他的的條件。通過大量試驗優化,得到了如表1的工藝參數表,其中在涂層段采用的功率和激光頻率計算出的單脈沖能量約為80 μJ,與理論計算值吻合。

表1 激光加工參數明細Tab.1 Laser parameter table

通過加工得到了涂層表面質量較好,金屬內壁光滑的微孔,涂層材料與金屬基體界面處過渡平滑,無脫落、無殘渣等。對加工完成的孔在掃描電鏡下進行了觀察,圖6表明帶熱障涂層高溫合金飛秒激光加工微孔內壁質量好,涂層與金屬界面無微裂紋、無脫落等現象。

圖6 三階段制孔結果Fig.6 Three stage drilling results

由于葉片中的氣膜孔均以斜孔的形式分布,因此為了表面本研究中工藝參數的廣泛適用性,分別對同種帶熱障涂層的高溫合金試片進行了30°、45°、60°制孔,結果如圖7。結果表明,三種不同角度的斜孔涂層表面質量良好,無明顯的燒蝕、發黑、脫落等現象；涂層與金屬基體界面清晰、無微裂紋及開裂等現象；金屬基體內壁光滑,無毛刺、粘渣等現象。上述結果表明飛秒激光分段制孔工藝適用于任意角度的帶陶瓷涂層高溫合金材料的制孔。

圖7 帶涂層高溫合金斜孔制孔結果Fig.7 Results of slant hole drilling for coated Superalloy

5 結 論

本文通過飛秒激光進行帶熱障涂層高溫合金微孔加工,得到以下結論:

1)通過研究飛秒激光與氧化鋯陶瓷的相互作用機理,計算雪崩電離速率和光致電離速率,最終得出在單脈沖能量約為80 μJ時,焦點區域內的材料均可以被去除,達到良好的加工效果,并通過實驗進行了驗證。

2)激光頻率及功率過大直接導致涂層燒蝕與脫落,減小激光頻率及功率可以明顯改善表面涂層質量；

3)通過飛秒激光分階段制孔,可以在帶熱障涂層高溫合金上獲得涂層表面質量良好、過渡界面缺陷,金屬基體內壁光滑微孔。

4)飛秒激光分段制孔工藝適用于任意角度的帶陶瓷涂層高溫合金材料的制孔。