水射流引導(dǎo)激光制造Inconel 718合金溝槽結(jié)構(gòu)的研究

趙 闖 趙玉剛 趙丹丹 孟 碩 于翰林 李智豪 曹 辰 張海云 孟建兵

山東理工大學機械工程學院,淄博,255000

0 引言

鎳基系列高溫合金具有較高的強度和耐腐蝕性,這些特性可以在高溫和高應(yīng)力下保持,廣泛應(yīng)用于航空航天和核反應(yīng)堆等領(lǐng)域[1-2]。鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域的需求量巨大,用于制造燃氣輪機的材料超過50%是鎳基高溫合金[3-4]。鎳基系列下的Inconel 718高溫合金能提供高溫(溫度高達1300 ℉(704 ℃))下的機械強度以及延展性,即使是在燃氣輪工作環(huán)境下(1000 ℃以上),它仍具有高抗氧化性,這些特性使得它能夠應(yīng)用在各種極端環(huán)境中。

近年,激光技術(shù)是處理高溫合金材料的一個主要方式,王亞等[5]采用低功率激光束對GH3039系列高溫合金進行沖擊處理,以此提高材料的耐磨性能。HAS?ALIK等[6]采用CO2連續(xù)激光器對Inconel 718鎳基高溫合金進行切割實驗,研究了激光功率、切割速度和輔助氣體壓力等工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響,通過對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),激光功率對重鑄層厚度的影響最大,其次是切割速度和氣體壓力。蔡敏等[7]使用不同脈沖激光在高溫合金上進行氣膜孔加工實驗,結(jié)果表明,使用毫秒激光所制的孔結(jié)構(gòu)的入口處有金屬熔渣殘留,并且存在重鑄層,而飛秒激光所制的孔結(jié)構(gòu)表面潔凈,不存在重鑄層和熱影響區(qū)。與連續(xù)激光以及毫秒、納秒脈沖激光相比,盡管超短脈沖激光能帶來更高的加工質(zhì)量,但昂貴的激光器價格大幅度增加了高溫合金產(chǎn)品的加工成本,因此,工業(yè)領(lǐng)域迫切需要一種成本適中且能夠?qū)Ω邷睾辖饘崿F(xiàn)高質(zhì)量加工的技術(shù)。

水射流引導(dǎo)激光(water jet guided laser,WJGL)(下稱“水導(dǎo)激光”)技術(shù)是近年來國際上最受歡迎的材料加工技術(shù)之一[8-10]。這種技術(shù)融合了激光的高效去除能力和水射流的冷卻能力,能夠?qū)Σ牧蠈崿F(xiàn)無熱損傷加工。水導(dǎo)激光是基于全反射效應(yīng)來實現(xiàn)的,激光在水-空氣界面發(fā)生全反射作用,水射流作為介質(zhì)將激光引導(dǎo)至工件表面,實現(xiàn)激光對工件材料的加工。在此過程中,水射流不斷地與切割區(qū)域材料發(fā)生對流換熱,對切割區(qū)域材料實現(xiàn)快速冷卻,因此,使用該技術(shù)加工后的材料不存在熱影響區(qū)和重鑄層。激光熱量將金屬材料加熱至熔化后,高壓水射流沖擊熔渣將其快速清除。因此,采用水導(dǎo)激光切割金屬材料比傳統(tǒng)干式激光具有更好的表面完整性。基于以上特點,水導(dǎo)激光技術(shù)在耐熱金屬材料的處理方面具有較大的應(yīng)用潛力。

國外學者對水導(dǎo)激光技術(shù)的應(yīng)用進行了大量實驗研究。RASHED等[11]分別采用水導(dǎo)激光技術(shù)和電火花技術(shù)對燃料噴射器噴嘴進行微孔加工,并對加工后的孔精度和孔壁表面質(zhì)量進行評估比較,結(jié)果表明,采用水導(dǎo)激光技術(shù)加工的微孔直徑平均誤差約為1 μm,而電火花技術(shù)加工的微孔直徑平均誤差為3 μm,并且,水導(dǎo)激光技術(shù)所加工的微孔內(nèi)壁粗糙度遠低于電火花技術(shù),這說明水導(dǎo)激光技術(shù)可以替代傳統(tǒng)電火花技術(shù)對燃料噴射器噴嘴的微孔進行制造。HOCK等[12]將水導(dǎo)激光技術(shù)用于金屬板切割,并與傳統(tǒng)激光切割技術(shù)進行對比發(fā)現(xiàn),水導(dǎo)激光切割金屬板并沒有產(chǎn)生熱影響區(qū)和金屬殘渣等缺陷。國內(nèi)一些科研機構(gòu)對水導(dǎo)激光的應(yīng)用也進行了深入探索。WU等[13]采用水導(dǎo)激光技術(shù)對大厚度CFRP材料進行切割實驗,比較了不同工藝參數(shù)下的切割質(zhì)量,通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),激光水射流的切割路徑和碳纖維排列的方向?qū)η懈钯|(zhì)量影響很大,并由此總結(jié)出了CFRP材料的三種損傷機理。SHI等[14]采用水導(dǎo)激光技術(shù)在不銹鋼、鈦合金以及6061鋁金屬表面制造超疏水微織構(gòu),發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光加工后的材料表面質(zhì)量遠超過傳統(tǒng)激光,并且加工后的金屬不存在熱影響區(qū)。

以上概述了國內(nèi)外學者在水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用上的探索,但是關(guān)于水導(dǎo)激光技術(shù)在Inconel 718合金材料上應(yīng)用的報道還很少。因此,本研究采用水導(dǎo)激光設(shè)備對Inconel 718金屬板材進行了溝槽結(jié)構(gòu)制造實驗,旨在探究水導(dǎo)激光工藝參數(shù)對溝槽形貌的影響規(guī)律以及溝槽的形成機理。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備與材料

本實驗采用自主研發(fā)的水導(dǎo)激光設(shè)備在鎳基系列Inconel 718高溫合金進行溝槽結(jié)構(gòu)制造實驗。設(shè)備如圖1所示,它由五部分組成:①激光發(fā)生器(YLR-2000-WC);②水循環(huán)裝置;③數(shù)控機床;④水光耦合裝置;⑤計算機控制系統(tǒng)。實驗材料為Inconel 718合金板,其力學性能如表1所示。

表1 Inconel 718合金的力學性能

圖1 水導(dǎo)激光加工設(shè)備

設(shè)備工作示意圖見圖2。激光器經(jīng)過擴束鏡組到達分光鏡,部分光源傳輸?shù)紺CD相機,其角度可以進行X、Y方向的調(diào)節(jié),用于光束與水束對準檢測。光源繼續(xù)向下傳輸,經(jīng)過聚焦透鏡的聚焦與耦合腔內(nèi)部的去離子水發(fā)生水光耦合。激光-水射流從噴嘴噴出,到達材料表面后與材料發(fā)生熱作用。

圖2 水射流引導(dǎo)激光工作示意圖

1.2 實驗方法

本實驗主要探究水導(dǎo)激光技術(shù)在Inconel 718合金上進行微型溝槽制造的特性。影響水導(dǎo)激光加工效果的因素很多,基于先前的實驗經(jīng)驗和文獻,我們將影響因素分為兩大類,第一類是對材料分子產(chǎn)生加熱效應(yīng)的因素,包括激光功率、激光頻率、進給速度和掃描次數(shù);第二類因素直接關(guān)系到材料的冷卻和熔渣的清除,與水射流壓力相關(guān)。以上因素過多且復(fù)雜,因此,我們將第一類影響因素通過計算整合為激光能量密度,將第二類因素的水射流壓力通過仿真轉(zhuǎn)換為水射流速度,探究激光能量密度和水射流速度對溝槽形貌的影響規(guī)律。

在水導(dǎo)激光加工中,全反射效應(yīng)使激光能量在水射流徑向截面中呈均勻分布,激光能量密度與平均激光功率和激光脈沖頻率相關(guān):

(1)

式中,P為平均激光功率;D為水射流直徑;f為激光頻率;I為激光能量密度;E為激光能量;A為水射流徑向界面面積。

根據(jù)式(1)以及仿真結(jié)果設(shè)計激光能量密度和水射流速度等工藝參數(shù),如表2所示。加工路線采用圖3中往復(fù)掃描劃線的方式。激光水射流從樣品片邊緣開始,往內(nèi)直線移動10 mm距離,然后按照原路徑返回起始點。為避免偶然性,每組實驗重復(fù)3次。

表2 實驗工藝參數(shù)

圖3 溝槽結(jié)構(gòu)制造路徑示意圖

1.3 實驗表征與測量方法

將溝槽深度、溝槽寬度和溝槽邊緣毛刺尺寸作為評價指標。為了準確觀察和測量這些表征,用無水乙醇通過超聲波清洗機清洗工件,并通過三維顯微鏡(DSX1000,日本OLYMPUS)獲得凹槽邊緣形貌的圖像。用砂紙對溝槽的橫截面進行拋光,用同樣的方法測量溝槽橫截面深度的形態(tài)。最后,用砂紙將溝槽表面進行拋光,以便獲得更清晰的毛刺形態(tài)圖像。

每個試樣工件量取5次數(shù)據(jù),取其平均值,如圖4所示。采用直方圖均衡法[15]對毛刺形態(tài)的圖像進行灰度化處理,然后通過二維離散傅里葉變換將圖像從灰度分布轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率分布。最后,通過增加特定的高頻信號的系數(shù)來改善圖像細節(jié)和紋理的對比度。

圖4 溝槽結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

為了定義毛刺尺寸,將10 mm溝槽結(jié)構(gòu)劃分為15個長度單位,如圖5所示。通過圖像處理得到毛刺的邊界,毛刺尖端和邊界之間的長度代表第i單元的毛刺長度,用Hi表示。毛刺尺寸平均值Hl用于表示溝槽的均勻性,Hl越小則認為溝槽越整齊。Hl可表示為

圖5 溝槽結(jié)構(gòu)的毛刺尺寸示意圖

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 水射流速度數(shù)值分析與模型驗證

基于COMSOL軟件建立了水射流噴嘴結(jié)構(gòu)數(shù)學模型,對水射流噴嘴的速度場進行仿真模擬。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,控制體內(nèi)流體質(zhì)量的變化等于流入與流出之差。對于流場中的任意微觀二維單元,其內(nèi)部流體密度與時間的關(guān)系可用連續(xù)性方程描述:

(3)

式中,ρ為流體密度;t為時間;v1、v2分別為速度矢量v在兩個方向的分量。

基于牛頓第二定律,控制體內(nèi)的流體在單位時間內(nèi)的動量變化等同于動量的增減差與外界力之和,兩個方向的動量變化可以用連續(xù)微分方程表示:

(4)

式中,p為控制體積單元上的壓力;fj為控制體積單元j方向的體積力;Fj為控制體積單元j方向的黏性力。

選用Realizablek-ε湍流模型進行求解。

根據(jù)實際工況條件,模擬的孔徑尺寸為0.5 mm,噴嘴上方水層厚度為1 mm,網(wǎng)格類型采用流體動力學網(wǎng)格。將液體壓力作為入口邊界條件。仿真結(jié)果如圖6所示,當水壓為0.80,1.25,1.80,2.45 MPa時,該工況下噴嘴出口水射流速度分別為42,51,60,69.3 m/s。

(a)0.8 MPa (b)1.25 MPa

2.2 溝槽深度變化分析

2.2.1激光能量密度對溝槽深度的影響

溝槽結(jié)構(gòu)深度在很大程度上能夠直接反映水導(dǎo)激光的加工能力。圖7展示了溝槽結(jié)構(gòu)深度隨激光能量密度的變化情況。水射流速度固定為60 m/s,當激光能量密度為10,20,30,40 J/cm2時,溝槽深度分別為372,455,496,523 μm?？梢钥闯?隨著激光能量密度的倍增,溝槽深度呈現(xiàn)緩慢遞增趨勢。

圖7 不同激光能量密度下的溝槽結(jié)構(gòu)深度

通過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn),溝槽深度并沒有隨著激光能量密度的倍增而出現(xiàn)成倍增大,而是呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢。為了探究原因,在2 mm厚的Inconel 718板材上進行改變激光水射流掃描次數(shù)的單變量實驗。實驗結(jié)果表明,當掃描次數(shù)增加到一定數(shù)值(8次左右)后,溝槽深度不會再隨著掃描次數(shù)的增加而增大。如圖8所示,在激光能量向溝槽深處z方向擴散的過程中,有相當多的能量與x、y方向上的溝槽側(cè)壁材料發(fā)生熱傳遞,這些熱傳遞效應(yīng)對加工來說是負面的,因為其結(jié)果是給燒蝕區(qū)周圍的材料造成了不必要的熱損傷。此外,當水導(dǎo)激光作用于z方向的材料時,部分熔體在溝槽深處的燒蝕區(qū)域凝固形成重鑄層。同時,高溫促使熔體發(fā)生噴射,部分噴射物在被水射流沖刷之前凝固成熔渣。這些熔渣和重鑄層共同抑制了激光能量在靶材z方向的擴散,導(dǎo)致更少的熱量對z方向的材料進行燒蝕。也就是說,溝槽越深,就有更多的激光熱量作用到溝槽側(cè)壁、重鑄層和熔渣上。當溝槽深度足夠深后,由于微型溝槽結(jié)構(gòu)的寬度很小,激光能量無法有效作用到溝槽的最深處。同時,水射流在窄小的溝槽深處撞擊壁面引起濺射,最終導(dǎo)致激光全反射失效。因此,溝槽結(jié)構(gòu)的深度并不能隨著激光能量密度的倍增而呈倍增的趨勢。

圖8 水導(dǎo)激光制造溝槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2水射流速度對溝槽深度的影響

激光能量密度為20 J/cm2,水射流速度依次為40,50,60,70 m/s,進行掃描實驗。圖9展示了不同水射流速度下的溝槽深度變化,可以看出,水射流速度對溝槽深度具有正向促進作用,并且水射流對溝槽深度作用的顯著性要低于激光能量密度。在水導(dǎo)激光加工技術(shù)中,水射流的主要作用是傳輸激光、沖刷熔渣和冷卻材料。水射流對熔渣的清除能力與水射流的沖擊力有關(guān),水射流的沖擊力表示為[16]

圖9 不同水射流速度下的溝槽結(jié)構(gòu)深度

(5)

式中,ρ為射流密度;v為射流速度。

當水射流速度增大時,它對熔融物的沖刷能力也隨之增強。高速水射流促進了溝槽深處熔渣的排屑,減小了溝槽底部重鑄層的阻礙,有助于激光能量進一步作用于溝槽z方向的靶材。因此,隨著水射流速度的增大,溝槽深度也略微增大。

2.3 溝槽寬度變化分析

2.3.1激光能量密度對溝槽寬度的影響

圖10展示了不同激光能量密度下的溝槽寬度數(shù)據(jù)?？梢钥闯?當激光能量密度為10,20,30 J/cm2時,溝槽寬度基本不變。當激光能量密度達到40 J/cm2時,溝槽寬度明顯增大,同時,燒蝕區(qū)域?qū)挾纫苍龃蟆?/p>

圖10 不同激光能量密度下的溝槽寬度

溝槽寬度取決于噴嘴直徑,在本實驗中采用的噴嘴出口尺寸為0.5 mm,但加工的溝槽結(jié)構(gòu)寬度約為400～420 μm,小于理論數(shù)值。出現(xiàn)這種結(jié)果是由于射流的收縮效應(yīng)[17],實際水射流的直徑只有噴嘴直徑的83%。此外,溝槽寬度還和激光光斑重疊率有關(guān)。當激光水射流移動時,水射流柱邊緣區(qū)域激光光斑重疊率低于中心區(qū)域。高的激光光斑重疊率有助于更多材料的熔化,而低的光斑重疊率會造成材料燒蝕不充分。當水射流邊緣區(qū)域的激光能量密度低于材料的熔化閾值時,該區(qū)域的材料不能被充分燒蝕,所以此時的溝槽寬度略小于理論值;當水射流邊緣區(qū)域的激光能量密度達到一個界限值時(30 J/cm2和40 J/cm2之間),該區(qū)域的材料熔化,因此激光能量密度達到40 J/cm2時,溝槽寬度增至446 μm。

2.3.2水射流速度對溝槽寬度的影響

圖11所示為激光能量密度固定為20 J/cm2,不同水射流速度下的寬度數(shù)據(jù)?？梢钥闯?水射流速度與溝槽寬度有正相關(guān)關(guān)系,與燒蝕區(qū)域?qū)挾扔胸撓嚓P(guān)關(guān)系。水射流通過與材料接觸發(fā)生冷熱交換,在極短時間內(nèi)帶走大量熱量。水射流與材料的對流換熱作用可以通過牛頓冷卻公式表示:

圖11 不同水射流速度下的溝槽寬度

(6)

式中,Q為對流換熱的熱流密度;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);ΔT為材料與流體的溫度差。

當水射流速度增大時,與材料發(fā)生對流換熱的流體在更短時間內(nèi)發(fā)生更替,促使材料與流體之間始終保持了一個高的溫度差。因此,高速水射流帶來更高效率的對流換熱,更多的激光熱量被帶走,材料中的熱積蓄減少,燒蝕區(qū)域也相應(yīng)減小。

2.4 毛刺尺寸變化分析

2.4.1激光能量密度對毛刺尺寸的影響

圖12所示為水射流速度固定為60 m/s,不同激光能量密度下的毛刺尺寸。結(jié)果表明,當激光能量密度為10,20,30,40 J/cm2時,毛刺的平均尺寸分別為93,78,62,54 μm。

圖12 不同激光能量密度下的毛刺尺寸

毛刺存在的原因是溝槽結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域的材料燒蝕不均勻、不充分,殘存下來形成了毛刺結(jié)構(gòu)。在水導(dǎo)激光燒蝕Inconel 718的過程中,金屬材料的去除機理有兩種。當作用于金屬分子表面的激光能量密度低時,電磁輻射會激發(fā)電子,使電子與中性分子發(fā)生碰撞,金屬原子在晶格節(jié)點周圍以超高頻激發(fā)和振動,此時,金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在這種情況下,材料去除依靠水射流的沖擊力。材料去除的難易程度不僅與水射流速度有關(guān),還與液態(tài)合金的黏度有關(guān)[18]:

η=Aexp(B/(RT))

(7)

式中,A的大小取決于合金的物理性質(zhì);B的大小取決于金屬熔化的溫度;R為氣體常數(shù);T為熔融金屬的絕對溫度。

顯然,液態(tài)合金的黏度η與其絕對溫度成負相關(guān)。也就是說,溫度較高的金屬熔體黏度較低,更容易被水射流去除。

當高激光功率密度作用于金屬材料時,激光能量迅速積累,金屬從固體變?yōu)榻饘僬魵?。同時,金屬蒸氣在高功率激光輻照下電離產(chǎn)生自由電子,導(dǎo)致自由電子的密度增大。當自由電子的密度上升到臨界值時,發(fā)生光學擊穿,形成包含自由電子和中性離子的等離子體。隨后,等離子體吸收能量,隨著壓力的增大而爆炸。等離子體爆炸會產(chǎn)生沖擊波,沖擊波對熔化材料的去除起著重要作用。等離子體內(nèi)部的壓力會在爆炸發(fā)生前達到閾值,可表示為[19]

(8)

式中,pmax為等離子體爆炸前的最大壓力;k為等離子體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成熱能的比例;Z為水介質(zhì)與金屬靶材折合成的聲抗阻;I0為此時的激光能量密度。

可見,等離子體爆炸的程度與激光能量度密切相關(guān)。

基于以上兩種情況,水導(dǎo)激光燒蝕金屬材料的微觀過程便清晰可見:在低激光功率密度下,熔融金屬顆粒依靠水射流的沖擊去除;在高激光功率密度下,金屬熔融物的黏滯性更低,更容易脫離基體。更重要的是,高激光功率密度使得金屬蒸汽介質(zhì)中的自由電子密度迅速增長,形成大量等離子體。等離子體爆炸形成的沖擊波對熔融金屬和金屬蒸汽脫離基體起到了決定性作用。因此,作用于金屬材料上的激光功率密度是決定毛刺殘留尺寸的關(guān)鍵。也就是說,當激光能量密度從10 J/cm2增至40 J/cm2時,材料表面的等離子體爆炸程度也隨能量密度的增大而增大,使得溝槽結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域的材料燒蝕更充分,因此毛刺尺寸減小。

2.4.2水射流速度對毛刺尺寸的影響

圖13所示為激光能量密度固定為20 J/cm2,不同水射流速度下溝槽結(jié)構(gòu)邊緣的毛刺尺寸。當水射流速度依次為40,50,60,70 m/s時,平均毛刺尺寸分別為74,69,61,59 μm。與圖14對比可知,激光能量密度對溝槽結(jié)構(gòu)毛刺殘留的影響程度要高于水射流速度的影響。

圖13 不同水射流速度下的毛刺尺寸

(a)v=40 m/s

為了進一步探究水射流速度對于毛刺結(jié)構(gòu)形成機制的影響,使用掃描電子顯微鏡(Quanta,FEI,美國)觀察溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的形態(tài)。圖14a展示了激光能量密度為20 J/cm2、水射流速度為40 m/s時的溝槽內(nèi)壁形貌,可以看出,內(nèi)壁上方入口處存在不規(guī)則的“山脊”狀凸起和“溝壑”狀凹坑,并且內(nèi)壁表面有明顯的水射流沖刷痕跡,這些正是毛刺的微觀結(jié)構(gòu)。圖14b展示了激光能量密度為20 J/cm2、水射流速度為70 m/s時的溝槽內(nèi)壁形貌。與圖14a對比可知,70 m/s水射流速度下的內(nèi)壁入口更加整齊,毛刺尺寸明顯減小,隨著水射流沖擊能力的提高,溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)壁呈現(xiàn)出更規(guī)律的形貌。

3 結(jié)論

(1)建立了水射流速度與壓力之間的關(guān)系模型,通過數(shù)值模擬仿真得到水射流速度分別為40,50,60,70 m/s時的水壓力分別為0.80,1.25,1.80,2.45 MPa。

(2)使用水射流引導(dǎo)激光在Inconel 718板材上制造溝槽結(jié)構(gòu),溝槽深度特征隨著激光能量密度的增大而顯著增大,隨著水射流速度的增大而緩慢增大。當激光能量密度在30 J/cm2以內(nèi)時,溝槽寬度維持在420 μm以下;當激光能量密度到達40 J/cm2時,溝槽寬度達到446 μm。

(3)當激光能量密度由10 J/cm2增至40 J/cm2,溝槽結(jié)構(gòu)的毛刺尺寸由93 μm降至54 μm。這是因為溝槽邊緣區(qū)域在40 J/cm2的能量密度下得到了充分燒蝕。當固定激光能量密度為20 J/cm2,將水射流速度由40 m/s增至70 m/s,毛刺尺寸由74 μm降至59 μm。當激光能量密度和水射流速度足夠大時,金屬能夠被充分燒蝕并清除,此時的毛刺尺寸小,當激光能量密度或水射流速度不足時,易留下較長的毛刺結(jié)構(gòu)。