飛秒激光加工鎳基高溫合金葉片氣膜孔的試驗研究

何雪莉,馬國慶,肖 強

(1.陜西師范大學計算機科學學院,陜西 西安 710119；2.西安工業大學機電工程學院,陜西 西安 710021)

1 引 言

氣膜冷卻技術是保證航空發動機在極端高溫環境下穩定高效運行的重要技術,實現該技術的前提條件就是在葉片上加工出符合要求的氣膜孔。隨著對航空發動機性能要求的逐漸提高,氣膜孔的加工工藝也在不斷升級。現階段可以用來加工葉片氣膜孔的加工方法有很多,但是都存在加工出的氣膜孔精度不高、表面質量差、加工成本高昂等缺點[1-4]。

飛秒激光加工技術作為目前先進的精密加工技術之一,其具有兩個顯著的優勢:熱影響區極小和可實現亞微米級精密加工。飛秒激光具有超短的脈沖時間,可以在數百飛秒乃至數十飛秒內將高達百萬億瓦的激光峰值功率集中在加工區域,熱量還未來得及擴散材料就已經被去除。這種近似于“冷”加工的加工方法擁有其他加工方法不具備的效果,因此將飛秒激光加工技術應用于鎳基高溫合金氣膜孔的精密加工,具有實用研究價值[5-6]。

2 飛秒激光加工葉片氣膜孔機理

普通長脈沖激光在加工金屬時是激光能量輻照在材料表面產生大量熱,依靠熔化和氣化去除材料,而飛秒激光具有超短的脈沖寬度和超高的峰值能量,這使得其與金屬材料的相互作用機不同于普通長脈沖激光,但這個過程遵循的原則是不變的,即受到激光輻照區域內的材料吸收激光能量導致原子、分子擺脫結合能,導致材料被去除。

飛秒激光與金屬材料的作用過程按照時間發生順序可以分為自由電子吸收激光能量、電子-聲子能量耦合與馳豫和材料的去除。當激光照射在金屬材料表面時,由于金屬內電子的比熱容較小和劇烈的逆韌致輻射,電子在極短的時間內吸收了大量激光能量,電子溫度瞬間升高,并且通過電子之間相互碰撞,出現費米-狄拉克分布。此時,由于自由電子所具有的溫度遠高于晶格所具有的溫度,通過和熱電子碰撞獲取熱量的方式晶格的溫度逐漸上升,最終達到熱平衡狀態。達到熱平衡狀態所需要的碰撞時間主要由電子-聲子碰撞馳豫時間決定。當能量分布達到熱平衡時,電子漂移和晶格與晶格耦合使得熱量開始向周圍傳遞。不同時間,激光與材料的作用過程不同,以熱平衡時間為界,飛秒激光燒燭過程可分為非熱熔過程和熱熔過程如圖1所示。

圖1 不同時間激光與材料作用過程圖Fig.1 Process diagram of laser-material interaction in different time

當激光的脈寬大于10-12s時,材料的溫度達到一定程度時,材料表面開始熔化、氣化等,實現材料的去除。當激光的脈寬達到飛秒量級時,整個激光作用過程極短,材料的溫度瞬時達到峰值,沒有發生熔化就直接轉化為等離子狀態,實現材料去除。飛秒激光正是因為這種獨特的去除機制,其加工過程中熱影響區極小,產生的碎屑和熔渣極少,非常適合精密加工。

鎳基高溫合金屬于金屬材料,其表面有大量自由電子的存在,可以更有效的吸收激光能量。飛秒激光作用在材料表面時,電子在吸收激光能量后溫度瞬時達到峰值,這些電子通過電聲耦合作用與晶格進行能量傳遞,晶格溫度也隨之上升最終實現熱燒蝕。雙溫模型可以定量表達飛秒激光與金屬作用時電子系統和晶格系統材料去除時的溫度變化,雙溫模型方程的具體表達式為:

(1)

(2)

式中,Te為電子系統溫度；Ti為晶格系統溫度；Ce為電子熱容；Ci為晶格熱容；ke為電子熱導率；g為電子與晶格之間的耦合參數。

3 試驗條件與方法

3.1 試驗條件

試驗使用超快激光器為PHAROS系列飛秒激光設備,設備如圖2所示。試驗采用鎳基高溫合金DD6,其與葉片材質相同。使用線切割將材料制成長10 mm、寬9 mm、厚2 mm的平板件并進行表面拋光；材料實物如圖3所示。

圖2 飛秒激光加工設備Fig.2 Femtosecond laser processing equipment

圖3 DD6鎳基高溫合金平板件Fig.3 DD6 nickel base superalloy plate

3.2 試驗方法

試驗制孔方式選擇螺旋制孔,即通過平行平板旋切掃描頭控制激光光束做螺旋線運動,對材料進行逐層掃描。螺旋加工示意圖如圖4所示。

圖4 螺旋制孔示意圖Fig.4 Schematic diagram of screw hole

4 試驗結果及分析

4.1 激光功率對加工質量的影響

激光功率是設計工藝參數時最重要最基本的參數,決定作用在材料表面的能量密度。激光功率一般選擇在2～20 W范圍內,若激光功率過大,則激光穿透材料過程中會出現光致等離子體現象,影響孔的孔徑、錐度、圓度等；若選擇的功率過小,則會使加工不徹底,材料無法完全去除。本次試驗的激光功率分別選擇2 W、4 W、8 W、12 W和20 W,考察激光功率大小對加工質量的影響。其余工藝參數均保持不變,單層進給量0.01 mm、單層掃描時間500 ms、離焦量為0 mm加工后獲得的孔如圖5所示。功率與出入口孔徑和錐度的關系如圖6所示。

圖5 不同功率打孔Fig.5 Punch with different power

圖6 功率與出入口孔徑和錐度的關系Fig.6 Power as a function of inlet and outlet aperture and taper

根據功率與出入孔孔徑的關系可以得出:在試驗所選的功率范圍內,激光功率對于入口孔徑的影響較小,入口孔徑始終維持在0.51 mm附近。然而激光功率增加,出口孔徑隨之增大,錐度也隨之減小。當激光功率達到20 W時,出口孔徑達到0.5016 mm,錐度達到0.0101。這主要是由于在加工初期,即使較小的激光能量也已經超過了材料的燒蝕閾值,可以對材料進行去除,隨著加工的持續進行,孔的深度越深,激光能量的損耗越多,導致激光能量不足,作用區域內的材料并不能保證被完全去除,隨著加工深度增加,未被去除的材料逐步累積,最終導致出口直徑減小,錐度增加；增加激光功率可以有效的提高在加工孔的中部和出口處的激光能量密度,使加工更加充分。激光功率從2 W增加至8 W時,出口孔徑和錐度的變化趨勢較為明顯,從8 W增至20 W時,變化趨勢放緩。這主要是激光功率達到一定程度時,出口處的能量密度已經超過加工所需要的能量密度,激光功率對于出口孔徑和錐度的影響趨于飽和,需要通過調節其他加工參數來繼續進行優化。

在對孔邊形貌進行檢測時發現,激光功率對出口孔邊形貌的影響較低,無論高功率還是低功率的出口孔邊均較為銳利,質量較高,但是入口孔邊形貌隨著功率的增加而質量下降。圖7分別是功率為2 W、8 W、20 W時的入口孔邊緣形貌。可以發現當功率為2 W時,孔口邊緣無破損、無熔渣,邊緣銳利。當增加激光功率到8 W時,孔口邊緣開始出現燒蝕現象,激光功率增加到20 W時,孔壁出現了強烈的燒蝕痕跡,出現了破損、掉塊等缺陷,產生的飛濺物對孔口周圍也造成了損傷,這主要是由于過大的激光功率導致能量密度超過了鎳基高溫合金的熱熔性損傷閾值。綜合來看,激光功率對孔的入口處孔邊質量和出口孔徑有較大影響,對于入口孔徑和出口孔邊形貌影響較小。因此在所選試驗參數范圍內,適當增加激光功率有助于獲得較大的出口孔徑和較小的錐度,同時為了確保孔邊不會出現熱熔性損傷,激光功率不宜超過8 W。

圖7 不同功率條件下的入口孔邊形貌Fig.7 Entrance hole edge morphology under different power conditions

4.2 單層進給距離對加工質量的影響

由于飛秒激光螺旋加工過程中采用多層去除方式獲取深孔,單層進給距離是指設置的每層需要加工材料的深度,單層進給距離在加工中起到至關重要的作用。本次試驗采用的單層進給距離分別為0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm和0.04 mm,功率為8 W、單層掃描時間500 ms、離焦量0 mm。加工后獲得的孔如圖8所示。單層進給距離與出入口孔徑和錐度的關系如圖9所示。根據數據結果可以得出,隨著單層進給量的增加,出口孔徑變化趨勢并不明顯,出口孔徑下降幅度加大,錐度也隨著進給量的增加而下降。

圖8 不同單層進給距離打孔Fig.8 Different single-layer feed distances for drilling

圖9 單層進給量與出入口孔徑和錐度的關系Fig.9 Relationship between feed rate of single layer and aperture and taper of inlet and outlet

不同單層進給量的入口孔邊形貌如圖10所示。當進給量選擇0.04 mm時,可以發現孔邊的破損嚴重,且可以看到孔壁上存在較多的毛刺和殘渣沒有被去除。當進給量選擇0.01 mm時,孔口的質量得到了明顯改善。這主要是因為單層進給距離選擇過大時,單層加工需要去除的材料增多,激光能量還未將材料完全去除,激光焦點就已經下移。

圖10 不同單層進給量的入口孔邊形貌Fig.10 Inlet hole edge morphology with different feed rate of single layer

未被加工的材料又會阻礙激光能量吸收,導致后續激光能量難以加工到剩余材料,以至于單層進給距離選擇0.04 mm時,孔的出口孔徑顯著下降,錐度增大且孔壁出現大量殘渣,加工不完全,因此在加工中不宜選擇較大的單層進給距離。

4.3 單層掃描時間對加工質量的影響

單層掃描時間是指在加工過程中單層掃描區域內激光焦點停留的時間。單層掃描時間選擇的較大時,則激光軌跡在單層做螺旋掃描的圈數會增加,導致過多的激光能量聚集在單層的材料上,引起熱燒蝕現象；若單層掃描時間選擇的較小,則又會導致激光能量不足,材料去除不充分。單層掃描時間不僅僅與加工質量有關,其更直接關乎到加工效率。即使單層掃描時間只減少100 ms,假設一個葉片約有300個氣膜孔,總加工時間便可以節約2～3 h。因此選擇合適的單層掃描時間對于加工質量和加工效率都有重要的影響。本次試驗采用的單層掃描時間分別為1200 ms、800 ms、400 ms和200 ms,功率8 W、單層進給距離0.01 mm、離焦量0 mm。加工后獲得的孔如圖11所示。單層掃描時間與出入口孔徑和錐度的關系如圖12所示[7-8]。

圖11 不同單層掃描時間打孔Fig.11 Different single-layer scanning time punching

圖12 單層掃描時間與出入口孔徑和錐度的關系Fig.12 Relationship between scanning time of single layer and aperture and taper of inlet and outlet

根據試驗結果發現當單層掃描時間對入口孔徑沒有明顯的影響；將掃描時間從200 ms增加到400 ms時,出口孔徑明顯增大,但是將掃描時間從400 ms增加到1200 ms,出口孔徑卻變化不明顯。對于錐度來說,掃描時間越大,錐度越小,隨著掃描時間的增大,錐度的下降趨勢變緩。不同掃描時間的入口孔邊形貌如圖13所示。可以看出當掃描時間為1200 ms時,孔口加工過度,出現倒角；時間為200 ms,孔口出現未被加工的毛刺。綜合試驗結果來看,過大的掃描速度不僅對降低錐度的作用小,而且會造成加工效率和孔口質量下降。單層掃描時間選擇不宜過高,應該在400 ms附近進行選擇,既可以使得錐度較小,又可以保證加工質量和加工效率。

圖13 不同單層進給量的入口孔邊形貌Fig.13 Inlet hole edge morphology with different feed rate of single layer

4.4 離焦量對加工質量的影響

飛秒激光器發出的光束經過光路傳輸系統后,若不進行聚焦,光束橫截面直徑可達2～3 mm,導致激光能量密度極低,不能對材料進行加工。所以在光束經過加工頭模組后需要進行聚焦,將激光能量密度增強,達到材料的燒蝕閾值。由飛秒激光光束特性分析可知,飛秒激光在焦點處的能量密度最高,且焦點附近的區域的能量密度也足以對材料進行去除。離焦量是焦點相對于材料表面的位置,因此離焦量對制孔質量有著重要影響。本次試驗離焦量選擇為+0.8,+0.4,+0.2,0,-0.2,-0.4和-0.8,功率8 W、單層掃描時間500 ms,單層進給距離0.01 mm。離焦量與出入口孔徑和錐度的關系如圖14所示。

圖14 單層掃描時間與出入口孔徑和錐度的關系Fig.14 Relationship between scanning time of single layer and aperture and taper of inlet and outlet

根據以上數據可得出,在本次試驗中采用正離焦時,隨著離焦量增大,入口孔徑增大,出口孔徑減小,錐度增大；采用負離焦逐漸增加離焦量時,入口孔徑和出口孔徑均減小,出口孔徑的減小幅度明顯高于入口孔徑的減小幅度,錐度也隨之增大。對孔的出口孔邊質量進行檢測,結果發現離焦打孔對于出口孔邊形貌產生的影響較小,其出口孔邊均無發現質量缺陷,出口孔邊形貌如圖15所示。在對入口處孔口的檢測中發現,無論是正離焦還是負離焦,若是離焦量選擇過大,則會出現掃邊現象。正離焦和負離焦0.4 mm入口處孔邊形貌如圖16所示。這主要是因為在焦點附近無論是正方向還是負方向,其光束能量密度關于焦點對稱分布,焦點附近一定區域的激光能量依然可以對材料進行去除,而無論是正離焦還是負離焦,最終都會造成螺旋加工的最外圈直徑變大,而最外圈的激光能量又不足以對材料完全去除,因此造成了掃邊現象。在選擇離焦量時,可以微調離焦量來對孔錐度進行修正,但離焦量不宜選擇過大,否則會造成掃邊,影響孔邊形貌。

圖15 不同離焦量的出口孔邊形貌Fig.15 Shape of outlet hole edge with different topograph

圖16 不同離焦量的入口孔邊形貌Fig.16 Shape of inlet hole edge with different topography

5 結 論

(1)本文分析了飛秒激光與鎳基高溫合金的相互作用機理,對于飛秒激光加工的熱影響區極小做出了理論解釋,當激光的脈寬大于10-12s時,材料的溫度達到一定程度時,材料表面開始熔化、氣化等,實現材料的去除。

(2)對飛秒激光加工系統及其光學掃描原理進行了闡述,對單脈沖的激光光源項進行了改進。采用具有光束平移功能的旋切掃描裝置,其原理都是基于光線的折射原理實現光束的偏轉和平移,再通過系統的旋轉實現圓孔的掃描加工。

(3)通過單因素試驗表明,激光功率和進給量對于各加工質量的影響最大,其次是單層掃描時間和離焦量,最后是起始孔徑度數；對加工效率影響最大的是單層掃描時間。適當增加激光功率有助于獲得較大的出口孔徑和較小的錐度,同時為了確保孔邊不會出現熱熔性損傷,激光功率最優選擇8 W；為保證加工作質量,不宜選擇較大的單層進給距離；單層掃描時間應該在400 ms附近進行選擇,既可以使得錐度較小,又可以保證加工質量和加工效率；在選擇離焦量時,可以微調離焦量來對孔錐度進行修正,但離焦量不宜選擇過大,否則會造成掃邊,影響孔邊形貌。