水導激光加工K424高溫合金熱損傷機制研究

2022-03-18 09:35:24滕嘯天喬紅超曹治赫趙吉賓張旖諾梁金盛于永飛

激光與紅外 2022年2期

滕嘯天,喬紅超 ,曹治赫 ,趙吉賓,張旖諾 ,4,梁金盛 ,4,于永飛

(1.中國科學院沈陽自動化研究所,遼寧沈陽 110016；2.東北大學機械工程與自動化學院,遼寧沈陽 110819;3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院,遼寧沈陽 110016；4.中國科學院大學,北京 100049)

1 引言

K424是鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金,其特點是鋁和鈦元素含量高、密度低,具有較高的高溫強度和塑性、良好的鑄造性能。因此K424合金可用于航空、航天發動機渦輪葉片、尾噴口調節片、整鑄渦輪轉子及導向器等精密鑄造結構件[1]。然而,雖然K424高溫合金具有以上優異的性能,但是其導熱能力差,在加工過程中產生的熱量不容易擴散,可能會在加工區域出現燒傷或裂紋。同時它的金相組織中晶粒較為粗大[2],在加工過程中,受單向拉伸應力作用時會增加晶粒間拉伸應力的作用,容易造成脆性的沿晶斷裂[3]。所以傳統的機械加工技術很難達到良好的加工質量。為了提升加工質量,提出了電液束打孔、電火花打孔和激光打孔等新穎加工技術。但是電液束打孔通常會出現點蝕、孔口偏大、雙眼皮孔、臺階狀、孔壁不完整等缺陷[4],電火花打孔加工過程需要不斷調整電極與工件之間的放電間隙,易造成短路、燒傷等缺陷,傳統激光加工會產生熱影響區、重鑄層和微裂紋等缺陷[5]。新近提出的水導激光加工是將水射流與激光耦合對材料表面進行去除處理的加工技術,相比于其他加工技術,水導激光具有熱影響區與重鑄層少、幾乎不會產生微裂紋、加工距離長且精度高等優點[6]。因此,使用水導激光技術來加工高強度低熱導率的K424合金較是為理想的選擇。

因水導激光具有其他加工技術無法比擬的優勢,國內外學者對其開展了多項研究。李萌等[7]提出了一種水導激光加工系統的光耦合方法,可以不需要CCD放大系統就能觀察到水與激光的耦合情況。程柏等[8]研究了同軸氣流輔助水導激光加工SiC/SiC陶瓷基復合材料,提出同軸螺旋氣流可以防止環境中的空氣影響噴射階段的水射流和排出沖擊階段的積水層,提高了水射流的穩定性,改善了水層的狀態。孫冬等[9]對水導激光加工碳纖維復合材料進行了研究,發現水射流對減小激光的熱損傷有顯著作用,另外水導激光加工表面不會產生惡化,有助于提高材料的強度。Marimuthu[10]研究了水導激光在SiC強化鋁基復合材料的打孔實驗,并與傳統的毫秒脈沖激光加工進行對比,發現水導激光加工的孔質量更好,孔的圓度高,沒有熱影響區和重鑄層,并且孔徑受激光功率與速度的變化影響較小,說明孔的重復性好,適合工業加工。缺點是加工效率較低。以上研究表明雖然水導激光加工與傳統的打孔加工相比有較多優勢,但是目前對水導激光產生熱損傷區的機理與規律總結缺少研究。

本文使用自主搭建的水導激光加工設備對K424高溫合金進行打孔實驗,加工后的工件使用Zeiss EVO 10掃描電鏡來觀測加工產生的熱損傷區并總結其出現的規律,實驗結果對水導激光技術減少熱損傷區的產生,提高加工質量有重要意義。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗采用厚度為1.3 mm,通過線切割加工成20 mm×10 mm×3 mm規格的K424高溫合金作為實驗試件。該材料的化學成分與物理性能由表1和表2所示。材料的金相組織如圖1所示。

圖1 材料的金相組織

表1 K424高溫合金化學成分

表2 K424高溫合金物理性能

實驗前需將試件用無水乙醇清洗干凈,表面無污漬后放入超聲清洗儀中,溫度設置為50 ℃,頻率為40 kHz,超聲清洗15 min后吹干。

2.2 實驗方法

實驗采用自主研發的水導激光加工裝置,激光在水射流引導下加工材料表面。為使水射流能夠充分冷卻并及時沖走熔渣,采用旋切式打孔[11]。同時為防止加工位置局部溫度過高而產生重鑄層,加工過程中激光與水射流軌跡為直徑不斷縮放的螺旋形,螺旋軌跡如圖2所示。最外圈的加工直徑為80 mm,激光與水射流加工一圈后直徑逐步縮減0.1 mm,等到直徑縮減到79.8 mm后下一圈再增加至80 mm。當激光穿透材料后,繼續加工幾圈保證孔的邊緣光滑無毛刺。

圖2 激光與水射流螺旋軌跡

打孔加工后對切下的圓形工件放入鑲樣機進行鑲嵌,檢測表面為激光加工的表面。然后使用400、800、1000、1200、1500、2000目的砂紙依次打磨。在每次打磨過程中需要加水,且使得劃痕朝著一個方向,直到打磨表面的劃痕都是一個方向后更換砂紙并使下次劃痕方向轉90°。打磨結束后,使用拋光機進行拋光。在拋光布上噴灑2.5～3.5 μm的拋光劑后開始啟動,把工件放上面拋光的同時加入適量的水防止過熱,直到表面無劃痕后用水將工件沖洗干凈。使用鑷子夾住沾有腐蝕劑的棉花球對工件表面擦拭15 s左右,待工件表面失去金屬光澤后迅速用清水沖洗并使用吹風機吹干。腐蝕劑配比為1.5 g CuSO4+40 mL HCl+20 mL C2H5OH[1]。

使用Zeiss EVO 10掃描電鏡觀測工件邊緣切口處熱損傷區大小。把工件放入樣品室后抽氣至室內真空度低于5×10-5mBar,移動樣品臺使工件位于物鏡的正下方,升起樣品臺同時避免工件觸碰到探頭,使用SE1探測器,調整至20 kV的加速電壓,7.4 mm的工作距離,將放大倍數逐步調整為50、200、2000、3000、5000、7500、10000倍后聚焦觀察并拍攝照片,對工件邊緣的重鑄層厚度進行測量與標注。

3 實驗結果與分析

3.1 孔壁微觀組織特征

將掃描電鏡放大到2000倍后,可觀察到K424高溫合金加工位置附近的金相組織,如圖3所示。可以看出邊緣位置晶粒變化不大,熱影響區并不明顯,但是重鑄層厚度不均勻。

圖3 K424高溫合金邊緣位置的金相組織

通過掃描電鏡放大10000倍后,可以準確測量出工件邊緣處重鑄層的厚度。選取工件圓周不同的位置進行觀測,發現重鑄層的厚度并不均勻,有的位置不存在重鑄層,有的位置厚度能達到2 μm以上。工件的重鑄層厚度變化如圖4所示,其大小從不存在增加至2.791 μm。

圖4 工件切口處熱損傷區大小

3.2 孔壁熱損傷機制分析

激光加工過程中能量的轉移一定遵循能量守恒定律,激光的輸入能等于激光的輸出能與材料的吸收能的總和,即:

Einput=Eoutput+Eabsorbed

(1)

其中,輸入能為激光器發射的激光總能量除去材料表面的反射和水射流內的全反射等損失后最終入射到材料的能量,輸出能為激光蝕除材料所需的熱能,吸收能為傳遞到材料內部的熱能,如圖5所示。

圖5 水導加工過程中熱能轉化的過程與現象

若不考慮激光在水射流內的能量損失,輸出能為:

Einput=αPt

(2)

式中,α為吸收系數；P為激光峰值功率；t為激光脈寬。

激光的能量密度為:

I=P/(πd2/4)

(3)

式中,P為激光峰值功率；d為水射流直徑,也是激光束的直徑。I可近似為輸入能的能量密度。因水射流的引導與全反射,可以將激光看成作用在材料表面熱量均勻分布的熱源,則I也可作為該熱源的熱流密度。在加工過程中K424高溫合金吸熱使激光軌跡位置的局部溫度升高到到熔點,熔化后產生熔池。其中,材料由固態變為液態需要的熱量,也就是輸出能為:

Eoutput=cpmΔT+mΔHf

(4)

式中,cp為材料的比熱容；m為蝕除材料的質量；ΔT為材料要達到熔點的溫度差；ΔHf為材料發生相變的熔化潛熱。吸收能為輸入能與輸出能的差,即:

Eabsorbed=αPt-(cpmΔT+mΔHf)

(5)

在加工的一個脈沖周期內,蝕除的材料的質量不變,則輸出能Eoutput是恒定不變的,如果激光的峰值功率過高或脈寬時間過長,輸入能就會過高,則會產生更多的吸熱能使更多的熱量傳遞到材料內部,造成材料加工的熱損傷。

材料在發生相變后熔池不斷產生和被沖走,形成的固液表面隨著加工方向移動,同時剩余熱量作為吸收能沿著孔的形狀變化流向材料內部低溫處。由于熱輻射影響較小,熱量的傳遞只考慮熱傳導與熱對流的過程。材料內部的熱量主要通過熱傳導的方式傳遞,熱傳導遵循Fourier定律:

(6)

式中,q為熱流密度;k為工件材料的導熱系數;T為溫度;n為邊界的外法線方向。

在加工過程中材料內部是不存在內熱源的,三維熱傳導的微分方程為:

(7)

式中,k為材料的導熱系數；ρ為材料的密度；cp為材料的比熱容。

加工過程中水射流對工件持續沖刷冷卻,產生劇烈的對流換熱,對流熱損失的熱流密度qout可根據牛頓冷卻公式計算:

qout=hcΔT

(8)

式中,hc為對流換熱系數；ΔT為流體與固體的溫度差;hc的計算公式為:

(9)

式中,Nu為努賽爾數；λ為流體的導熱系數；l為特征長度。Nu的經驗公式如下[12]:

Nu=0.715Re1/2Pr0.4,0.15

(10)

Nu=0.797Re1/2Pr0.4,Pr>3

(11)

在上一個脈沖結束后與下一個脈沖開始前的間隙,水射流對工件冷卻并清理熔融物,每個脈沖間隙帶走上一次燒蝕材料的熱量。同時還會在工件加工表面形成一個水膜,避免熔融顆粒粘附在工件上。因此,水射流不僅可以引導激光,還能夠大大減少工件的熱損傷。

當激光作用在材料的加工區域時會發生光熱作用,光能轉化為熱能并傳遞擴散。當材料吸收了一定的激光能量后,激光內的脈沖能量先會對材料表面形成沖擊強化并產生熱能,待溫度升高達到材料熔點后,材料表面會發生熔化、蒸發并產生等離子體,實現材料的去除。其中,脈沖發射階段通過激光的熱效應燒蝕材料,脈沖間隙階段通過水射流的對流換熱冷卻工件并沖走熔渣和殘留物。若吸收能較高,則在一個脈沖周期結束后,水射流未能帶走的熱量會向材料內部傳遞,使加工區域附近的溫度升高,在孔壁形成熱影響區。同時會有來不及排出的熔融物重新凝固在切口處形成重鑄層[13]。單位脈沖時間內,若qt1>qoutt2,則說明吸收能向材料內傳遞的熱量大于水射流冷卻的熱量,其中t1為脈沖作用時間,t2為脈沖間隙時間,這種情況材料會出現熱損傷區；若qt1

在水導激光打孔過程中,工件上加工軌跡的表面位置會逐漸被燒蝕而內陷,當水射流沖刷工件表面時,會在加工內陷處形成滯止區,使水柱產生回流,減弱沖刷效果。而隨著內陷深度的變化,水柱的回流情況也一直變化,造成了水射流的不穩定。同時,熔渣和熔融物在排出時可能造成切口處熱量分布不均,若是熔渣體積較大還可能造成排水不暢,也會影響水射流的穩定。水射流的滯止回流與排水不暢如圖6所示,這些都會導致重鑄層的厚度變得不均勻。