激光制備帶熱障涂層高溫合金微孔工藝研究

孫建林,孫會來,岳端木,楊 雪

(天津工業大學機械工程學院,天津 300387)

1 引 言

渦輪機性能的提升關鍵在于提高熱效率,這對材料的耐高溫性有更高要求。然而在先進的航空渦輪機中,熱氣的溫度通常都高于制備渦輪機的鎳基高溫合金的熔點。由于葉片材料耐高溫能力有限,通常會在葉片上涂覆熱阻隔涂層,結構上采用氣膜冷卻孔等方法降低渦輪機出口的高溫[1-2],圖1所示冷卻孔結構[3],即將冷卻介質匯入到主氣流中,在主流的壓力和摩擦力下粘附在壁面附近,形成溫度較低的冷氣膜,將渦輪機葉面同高溫燃氣體隔離開并帶走大量熱輻射,如圖2所示[4]。所以,燃氣渦輪機氣膜冷卻孔的應用發展對渦輪機性能提升與技術革新尤為重要。

圖1 渦輪機葉片冷卻孔Fig.1 Turbine blade cooling holes

圖2 渦輪機葉片冷卻孔的工作原理Fig.2 The principle of turbine blade cooling holes

目前,常用于渦輪機上帶熱障涂層高溫合金材料制孔要求加工孔定位準確、加工無重鑄層、對壁無損傷無微裂紋等,而傳統冷卻孔的加工方法如電火花和電液束加工很難達到其工藝要求。不同于傳統加工的熱熔等機理,激光多以蒸發汽化方式去除材料,其中飛秒皮秒脈沖與被加工材料作用時間短幾乎不產生熱影響區。此外其高度的數字化與自動化優勢也很好地實現了微孔復雜異型孔徑的制造[5-6]。

但是受限于目前加工工藝和激光本身的影響,微孔加工效率一般較低,加工質量和精度離理想狀態還有一定距離。在實際加工時,不僅要選取合理的激光參數確保微孔的加工質量,更需要根據材料的特性和對微孔的要求綜合選擇合適的加工方法。本文綜述了近年來國內外學者對于帶熱涂層高溫合金激光制孔研究進展,介紹了飛秒激光制孔高溫合金的工藝優勢與不足,分析討論了皮秒納秒和毫秒激光制孔帶熱障涂層高溫合金存在的問題,并指出今后的發展方向。

2 激光制孔帶熱障涂層高溫合金進展

熱障涂層已廣泛用于現代燃氣渦輪發動機中以降低燃燒室和渦輪部件的金屬表面溫度,由于其較低的導熱性和良好的化學穩定性,在對金屬基板阻隔熱流的過程中起著重要作用[4]。先進熱障涂層和薄膜冷卻技術的應用使渦輪機可以在基材熔化溫度下工作,與開發新型高溫合金材料相比,熱障涂層的研究成本相對較低。典型的熱障系統由熱障涂層自身(top coat)、粘合層(bond coat)和高溫合金基體(superalloy)組成[7-8],如圖3所示[9]。其中使用最廣泛的TBC(熱障涂層)材料為氧化鋯(YSZ)。因為陶瓷的不導電性,傳統放電加工不能適用,而激光加工則顯現了硬脆材料的加工優勢[9-10]。在熱障涂層上加工冷卻孔時微裂紋和重鑄層等缺陷對其影響較大,本節將介紹激光制備熱障涂層冷卻孔的加工特點和不足之處。

圖3 電子束沉積TBC的橫截面電子顯微圖Fig.3 Cross-sectional electron micrographof electron beam deposited TBC

2.1 飛秒激光制孔熱涂層合金微孔質量

在之前的研究中,飛秒激光加工高溫合金微孔得益于其“冷加工”的特性,沒有發現與傳統長脈沖激光加工的缺陷,諸如飛濺、重鑄層、熱影響區和激光加工區域周圍的微裂紋等[11-12]。飛秒激光的脈寬極短比晶格的弛豫時間短得多,熱能僅在晶格內部傳輸而不會對周圍的材料施加熱效應。對于加工帶熱障涂層高溫合金等多層材料,飛秒激光超短脈沖和高峰值功率特性也能對其具有較好的加工效果[11],但由于材料間應力的原因,微裂紋也可能在不同材質間的應力集中區域產生。

2006年,密歇根大學Feng等人[10]通過等離子噴涂和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術在單晶合金CMSX-4上制備了熱障涂層,由顯微組織的觀測表明飛秒激光以能量密度為46 J/cm2,重頻為1 kHz的情況下兩者均完全不存在長脈沖激光的加工缺陷,包括飛濺、重鑄層,穿過TBC層激光加工的區域也沒有發現微裂紋,如圖4所示。

圖4 超快激光加工產生的橫截面Fig.4 The cross section by ultrafast laser

較于低能量密度下的加工狀態,飛秒激光在重復頻率和平均功率同時均為高水平下的熱量積累可能會對實驗結果產生不利影響。西南交通大學Yu等人[13]研究了飛秒激光脈沖在50 kHz,功率范圍在2.28～11.18 W時引起DD6單晶高溫合金和TBC的表面形態變化。根據高斯激光束的能量分布,DD6單晶高溫合金和TBC中的飛秒激光光斑區域可以分為四個區域即燒蝕區、熔化區、激光誘導區和輻射區域,如圖5所示[13]。激光在不同區域其主導的機制不同,其在單晶高溫合金上的物理作用是激光誘導的周期性表面結構(LIPSS),而在TBC上是激光誘導的裂紋,由分析數據得出裂紋是在高通量和高重復率飛秒激光下,熱應力和激光沖擊的機械應力共同作用的結果,因此對于飛秒激光加工熱障涂層,合理選取激光參數對裂紋的控制有重要作用。

圖5 DD6單晶高溫合金和TBC上的激光沖擊鉆孔的演變示意圖Fig.5 Schematic of evolution in the laser percussion drilling holes on the DD6 single-crystal superalloy and TBC

為了檢查飛秒激光加工的熱涂障涂層微孔是否在循環加熱和冷卻期間有YSZ層剝落現象,2009年,國外Das等人[14]對具有加工孔的涂覆樣品進行了熱循環測試。在1100 ℃的空氣中進行了300個循環后發現在孔周圍沒有發生YSZ層的局部剝落,但是在涂層表面上卻可以看到一些裂縫,如圖6(a)所示。在通過1000次循環的樣品表面(包括孔周圍的區域)上檢測到YSZ層中有大量裂紋但沒有發生局部YSZ剝落,如圖6(b)所示,由此認為飛秒激光加工在熱障涂層高溫合金冷卻孔不會降低涂層壽命。

圖6 7YSZ層熱循環后裂紋Fig.6 7YSZ layer cracks after thermal cycling

對于熱障涂層中的YSZ層的陶瓷材質加工,不同頻率的飛秒激光作用機理也不盡相同,高頻飛秒激光較于低頻熱效應更加顯著。2019年,西安交通大學Fan等人[15]提出,由于熱障涂層通常有較高空隙率,在嚴苛的工作環境下多孔的YSZ涂層容易受到熔融鹽的熱腐蝕。由于飛秒激光“冷加工”特性,加工中的陶瓷部分會暴露這些微孔而腐蝕失效,如圖7(a)～(b)所示。他們采用一種新型的激光修改的鉆孔方法,由等離子噴涂的涂層會在低頻飛秒(LF-fs)激光鉆孔后暴露出其固有微孔缺陷。在鉆孔后使用高頻飛秒(HF-fs)激光器修復側壁孔和鉆孔陶瓷孔的層間間隙,最后通過激光熔化修復毛孔和微裂紋,如圖7(c)～(d)所示。高溫腐蝕試驗的結果表明,開孔的修復和陶瓷孔壁的微觀結構改善阻止了熔融鹽的滲透,延長了冷卻孔和熱障涂層的使用壽命。

圖7 飛秒激光加工陶瓷層修復前后SEM圖Fig.7 SEM images of femtosecond laser processingceramic layer before and after repair

金屬和陶瓷之間的熱機械性能差異是多層材料系統的熱障涂層材料激光打孔的最大障礙之一[9,16]。除了固有的缺陷,包括濺射,微裂紋以及重鑄層,界面開裂分層也是此類多層系統激光鉆孔的關鍵問題。由激光誘導的裂紋會引起TBC界面分層,在TBC系統的微孔中,粘結層與高溫合金界面在激光加工過程中累積的應力差以及各層間熱膨脹系數不一致都可能會產成熱障涂層分層現象[17-18]。

2002年,Corcoran等人[7]研究了飛秒激光參數和TBC密度對分層和孔微結構的影響。實驗發現較短的脈沖寬度、較高的TBC密度和較高的氣壓可以在不同程度上減小分層。2007年,Das等人[19]使用飛秒激光誘導擊穿光譜儀(fs-LIBS)對熱障涂層系統進行了深度分析,在無陶瓷層的情況下可以在粘結層和基底之間以及粘結層的兩層之間定性地進行區分,如圖8所示BSE(背散射電子成像)橫截面圖像[20]。實驗得出由 fs-LIBS與飛秒激光加工結合使用可以在熱障涂層合金部件上加工出高質量冷卻孔。

圖8 涂層的橫截面BSE圖像Fig.8 Cracks in the cross section by laser

2.2 飛秒激光制孔涂層合金微孔幾何形貌

熱障涂層上制備冷卻孔的重要特征包括孔徑圓度、孔壁形狀及表面粗糙度等,冷卻孔的加工質量在一定范圍內取決于激光參數的控制。飛秒激光加工微孔基本都是有錐度的,不僅是因為其能量呈標準的正態分布,而且在飛秒激光制孔過程中,隨著加工孔的深度不斷增加,孔內壁面積增大,孔壁對激光能量的吸收和散射增大,使得激光加工孔底的能量降低,材料的燒蝕速率逐漸下降,在加工過程中噴射出的大量等離子體也阻礙了激光對下層的燒蝕作用,同時這也會造成孔兩側圓度和粗糙度的差異。2009年,Das等人[14]通過鈦藍寶石飛秒激光加工了三種不同厚度涂層樣品的通孔,被加工材料以鎳基單晶高溫合金CMSX4為基材,隔熱涂層由MDC 150L Pt-Al化合物粘合涂層和電子束物理氣相沉積7YSZ(7 %氧化鋯)陶瓷層組成。圖9顯示了預期直徑為600 μm的孔的平面圖,電鏡圖為在0.4 mm厚樣品的入口側和出口側的孔徑圓度形貌,入口側孔的圓度明顯可見,但是在出口側孔的圓度略差,其入口直徑大于出口直徑形成了一定的錐度。同時發現加工孔的過程中,在給定位置的脈沖與7YSZ涂層的相互作用使孔周圍的100 μm區域上發生了輕微的燒蝕導致材料損失,但沒有觀察到嚴重的損害如微裂紋或分層等缺陷。

圖9 入口側和出口側的微孔掃描電鏡圖Fig.9 SEM of microholes on the inlet and outlet sides

2018年,西安交通大學Zhai等人[11]采用波長為800 nm的飛秒激光在帶有熱障涂層的鎳基合金上沖擊陣列打孔,分析了飛秒激光脈沖積累導致的微孔尺寸變化,結果表明飛秒激光的脈沖數與材料加工尺寸之間具有良好的線性關系。在電子顯微鏡觀察到加工的孔錐度幾乎為零,其內徑為162 μm,縱橫比為15∶1。由能譜儀分析表明通孔的圓度高,入口處沒有明顯的材料堆積和因熔融沉積而引起的不均勻孔形或阻塞,如圖10(a)～(b)所示,在涂層和基材之間也沒有裂紋的產生,圖10(c)顯示了陣列孔的側壁微觀形態。這也明飛秒激光加工對涂層的基本成分和相結構影響很小,可以在鎳基合金上實現高質量的通孔加工。

(c)

(b)

(a)

圖10 陣列通孔正側面掃描電鏡圖Fig.10 Scanning electron micrograph ofthe front and side of the array through hole

2.3 皮秒激光制孔帶熱障涂層高溫合金

飛秒激光具有相對更短的脈寬和更大的峰值功率以及更小的熱影響區,但其結構復雜、維護成本高面向工業化還需要時間。此外,由Christian等人[21]實驗表明飛秒脈沖與大氣的非線性相互作用還會對孔質量產生負面影響并認為5～10 ps脈寬最有利,同時由于孔內不規則形狀造成的散射效應會隨著脈沖時間的增加(最高至10 ps)而大大降低。與飛秒激光相比,皮秒納秒激光加工過程中會顯現出來長脈沖激光加工的特征,如熱效應等。雖然皮秒激光脈寬比長脈沖激光要小得多,但仍然很難避免熱量積聚,尤其在高重復率和高能量密度的情況下蓄熱甚至變得更嚴重。不過皮秒激光加工技術相對成熟,可提供較高的平均功率和重頻,同時具有更高的加工效率[22]。

2018年,西安交通大學Sun等人[23]通過532 nm皮秒激光對熱障涂層In718合金打孔的實驗,實驗發現重復頻率對孔口周圍熔融材料積聚的影響最為顯著,激光重復頻率的增加會導致等離子體的重新加熱,熱量加速積聚而晶格間散熱時間減少會加劇材料的熱損傷。由于陶瓷的表面非常粗糙,一部分激光會被散射,等離子體的不均勻膨脹也會導致激光能量被不均勻吸收和散射,從而表現在不同方向上重新固化材料的寬度不同,熔融體堆積不規則如圖11所示。

圖11 不同重復頻率環切的微孔SEM圖Fig.11 SEM images of microhores with different repetition rate

皮秒激光去除機制是蒸發,熔化極少。鉆孔后的表面質量接近飛秒激光鉆孔的水平。但是由于蓄熱,不可避免地存在類似于長脈沖激光鉆孔的熱效應。如圖12所示,皮秒激光鉆孔的典型缺陷是由少量熔體、大量碎片和納米粒子形成的凝固層。加工中的碎片和納米粒子被等離子羽流吹離表面,在此過程中大多熔體和碎屑可能已經冷卻并固化,部分附著在壁上形成了薄而間斷的固化層,其結合力不如重鑄層強。在皮秒激光鉆孔過程中,大量材料通過蒸發和相爆炸被去除,這對側壁的形態影響不大。在加工中選取適當的參數能最大程度上減小固結層的厚度,但薄而間斷的固結層很難覆蓋所有陶瓷孔,最終在壁的側面上形成了陶瓷缺陷。

(d)圖12 重鑄層與固化層的形成機理圖Fig.12 Schematic diagram of the formation mechanismof recast layer and resolidified layer

2019年,上海交通大學Zheng等人[20],通過1030 nm的皮秒激光對沉積厚度約為400 μm 的TBC層鎳基高溫合金(GH3536)打孔,定量的分析了其裂紋產生機理并構建熱力耦合模型得出界面裂紋是由材料熱特性產生巨大應力導致的,特別是TBC/BC界面的幾何特征在TBC/BC界面分層裂紋和縱向主裂紋中都起著重要影響。TBC層的內部裂紋受氧化鋯的熱應力、界面形態和相變的影響,如圖13所示。另外預測了在不減小激光功率的條件下降低重復頻率能避免微裂紋的產生,提高制孔的質量。

圖13 超快激光加工產生的橫截面裂紋Fig.13 Cracks in the cross section by laser

2.4 納秒毫秒激光制孔熱涂層高溫合金

2012年,上海交通大學Qi等人[9]使用532 nm納秒光纖激光器研究了脈沖激光束與金屬和熱障涂層之間的相互作用。通過建立熱熔模型確定了在恒定脈沖和移動激光束作用下的燒蝕材料體積和尺寸。在單槽加工中發現由高能激光束燒蝕深而窄的溝槽中會有明顯的熔化和噴射,小的散焦會形成較大的凸起和重鑄層。通過比較模擬的數據和實驗數據,選取最佳的加工參數可以達到最大的加工效率和最小的熱效應如重鑄層、邊緣突起和微裂紋,但是實驗中未能完全避免熱效應帶來的加工缺陷。

為了提高熱障涂層鎳基合金上激光微孔鉆孔的質量和加工效率,西安交通大學Wang等人[24]提出了一種兩步法,即開始使用毫秒激光制備通孔,然后使用飛秒激光對孔壁進行精加工,實驗設備如圖14所示。

圖14 毫秒激光與飛秒激光鉆孔系統的實驗裝置Fig.14 Experimental setup of the millisecondlaser system and femtosecond laser system

在第一步中,采用峰值功率逐次下降的短間隔脈沖可以防止蒸氣壓突然下降促使熔體連續向上流動,而脈沖串后續的峰值功率的逐步減小防止出口直徑的進一步擴大。這種脈沖序列能夠加工出具有較小錐度的孔。實驗中發現熱涂層的分層位置與脈沖形狀的關系不大,主要與脈沖序列的峰值功率相關如圖15所示。在第二步中使用飛秒激光去除重鑄層并細化孔壁,最后運用統計方法作出了合理假設,即如果使用更高的功率和打孔速度可以在保證孔徑質量下進一步減少精加工時間。如圖16(b)中所示了飛秒激光精加工預制孔后的形貌,可以清楚地觀察到加工后孔邊緣鋒利,孔壁較完整光滑。

圖15 微孔分層裂紋隨脈沖峰值功率變化SEM圖Fig.15 SEM image of microporous delaminationcrack with pulse peak power

圖16 秒激光精加工孔的SEM圖Fig.16 SEM images of the holes refined byfemtosecond laser trepanning

據先前的實驗表明激光制孔中斜孔往往比直孔更容易發生TBC的分層,由此可以推斷分層現象是由熱應力引起而通過激光束產生的機械應力傳播的[25]。2016年,Fan等人[26]研究了在涂有熱障涂層的鎳基高溫合金上的傾斜孔的激光鉆孔,比較了兩種鉆孔方式,即三步激光鉆孔(TSLD)和一步激光鉆孔(OSLD)。在TSLD實驗中,使用三個步驟來鉆孔涂覆TBCs涂層的超級合金的不同層:(a)納秒激光燒蝕TBCs;(b)毫秒激光鉆孔底材具有鉆孔余量(0.1～0.2 mm);(c)通過毫秒激光以低脈沖能量去除的鉆孔余量。如圖17所示。

圖17 三步激光鉆孔原理Fig.17 Schematic diagram of three-step laser drilling

板孔的鉆削余量可以使熔體偏移TBC前沿的流動軌跡,這種現象可能會將孔的前緣與噴射的熔融材料隔離從而防止了剪切應力的產生。TSLD加工中沒有金屬噴射到前緣TBC層上,在孔入口處也未發生飛濺,在TBC后緣的深部觀察到固結層從60 μm減小到了10 μm,同時TBC與基底界面處不存在由熔體噴射引起的分層,未發現固結層有明顯的重熔裂紋,如圖18所示。

裂紋與分層受熱應力影響,彈性模量的差異則是誘導裂紋的深層原因。在熱障涂層打孔中,由于復合材料間的彈性模量不同,材料受熱越嚴重則變形的程度增加應力也隨之增大,分層和裂紋現象會愈加明顯。2017年,Wang等人[17]進行了熱障涂層的激光沖擊打孔實驗,并進行了熱應力和相關制孔過程的計算研究。實驗采用YAG激光打孔涂有熱障涂層1.9 mm的Inconel 718超級合金板,基于熱應力分析討論了激光脈沖時間、激光平均功率和材料彈性模量對分層的影響,發現分層現象隨著脈寬的增加而變得更加嚴重。低功率(68 W)或高功率(228 W)都不利于防止裂紋的形成,對于高峰值功率密度,空腔中的反沖蒸氣壓非常大,等離子體很容易被這種強壓力噴出而不是留在模腔中。這表明界面處的裂紋主要是由于材料特性固有失配的熱梯度引起的,所以在具有高峰值功率密度的激光鉆孔中熱應力應成為裂紋的主要考慮因素,如圖19所示。

(a)OSLD

(b)TSLD圖18 通過OSLD和TSLD方法鉆出的傾斜孔后緣的重熔裂紋分布Fig.18 Distribution of re-melted cracks on the trailing edgeof inclined hole drilled by OSLD and TSLD method

圖19 不同脈寬下的裂紋的典型幾何特征Fig.19 Typical geometric features of cracksfor various pulse durations

YAG毫秒激光打孔TBC層間表面裂紋以及裂紋拓展。使用太低的激光峰值功率不僅會由于停滯現象而在界面附近造成嚴重的熱量積聚,而且還需要更高的激光能量制成通孔。由仿真模擬得出,過大的彈性模量差可能容易在界面上產生裂紋和分層,通過控制彈性模量的變化可以有效地減小界面附近的應力差,減少界面附近的應力突變能有效防止裂紋。最后采用逐步逼近的方法能確保TBC和BC的彈性模量沿厚度方向彼此接近以此改善通孔的加工質量。

2019年,德國的Ebrahimzade等人[27]對熱障涂層的標本進行了不同激光設置的鉆孔研究,包括沖擊鉆孔與環切鉆孔、長脈沖與短脈沖鉆孔、傾斜鉆孔與垂直鉆孔以及循環氧化對樣品微觀結構的影響。

通過比較光纖激光器的沖擊和環切鉆孔方式發現前者由于具有更高的脈沖能量會產生較大的裂紋,并且觀察到其重鑄層更薄,同時由高脈沖強度下熔體的蒸發會加速其噴射與飛濺。在光纖激光器與閃光燈泵浦激光器的對比中,激光相對更高的重復頻率使其在加工中對孔造成的缺陷更大。在光纖激光沖擊打孔和循環氧化后的環切鉆孔的對比中,斜孔前緣以及附近的側壁處均會發生分層如圖20所示,其分別是由于沖擊打孔中的應力和幾何形狀引起的應力而產生。最后測得斜孔的氧化性比直孔更高表明了斜孔的微孔缺陷更大,這也與前文Fan等人[26]結論相同。

圖20 光纖激光環切鉆孔與沖擊鉆孔中TBC分層Fig.20 TBC delamination in fiber laser circumcisiondrilling and percussion drilling

在激光制孔中產生的波紋現象方面,2020年,西安交通大學Wang等人[28]對激光束的偏振對微孔形態的影響進行了綜合分析,實驗表明線偏振和圓偏振會影響孔側壁產生的LIPSS(激光感應的周期性表面結構)形貌。對于TBC層,側壁上結構的形態對激光束的偏振有很大的依賴性。對于BC和基底層,側壁的微觀結構與激光束的偏振態無關。

3 總結與展望

激光加工是一種非接觸式加工技術,利用了其高能激光束通過熔體噴射或者汽化蒸發等方式去除所加工的材料。激光制備帶熱障涂層高溫合金微孔已成為業內認可的渦輪機葉片冷卻孔的加工技術。其中飛秒激光具有超短脈沖和超高峰值功率特性,其加工熱障涂層復合材料的優勢在國內外的研究中多次體現。飛秒激光加工帶熱障涂層高溫合金微孔通常不會發生微裂紋、飛濺、重鑄層和其他熱損傷,微孔質量較高圓度好,但由低頻飛秒激光沖擊下陶瓷涂層側孔壁會有微孔腐蝕的缺陷,在高頻率高等量密度下的飛秒激光制孔其熱量累積也是不可忽略的,熱障涂層可能會在熱應力與激光沖擊下的機械應力共同作用下出現微裂紋。飛秒激光能量呈高斯分布分布,所加工出來的孔都有一定的錐度,這需要后續實驗優化激光參數或者設置其他輔助工藝來減小微孔錐度。皮秒激光相較于飛秒激光會顯現出長脈沖激光的特性,在加工熱障涂層微孔時會有熔融物飛濺和固結層等缺陷,并且由于TBC復合材料自身的熱膨脹系數不同等特性以及皮秒激光熱應力等影響會使TBC分層。對于納秒與毫秒激光制備微孔往往都具有激光制孔的固有缺陷,裂紋與重鑄層以及TBC間的分層現象更加明顯。同時毫秒激光所加工的斜孔一般比直孔缺陷更多,這也表明了熱應力對加工質量的重要影響,而其具有高質量微孔的制備通常需要其他后續的輔助工藝實現,其中不乏由飛秒激光修復毫秒激光打孔中的缺陷。

近年來,激光制孔技術日趨成熟,但這其中飛秒激光加工高深徑比的理論仍需不斷完整,不能只采用簡單的線性關系來調整加工參數。皮納秒激光加工深微孔僅僅依靠更高的平均功率和單脈沖能量還遠不足夠,這些對激光微孔加工技術的提高都造成了阻礙,也影響了激光微納加工技術的進一步發展。為了達到帶熱障涂層高溫合金微孔更理想的加工效果,對激光參數和加工工藝進行優化的同時還要發掘更多的輔助技術,現如今已有了超聲波輔助激光打孔技術、噴射液束電解激光混合加工技術等。

隨著對激光加工優化的深入研究和創新性工藝的不斷探索,激光在航空等制造領域將會擁有更大的應用前景。