飛秒激光微孔迎來新突破

導(dǎo)讀

航空發(fā)動機是航天器的動力來源，對于提升其性能起著決定性作用，高性能發(fā)動機必須具備高推重比、低耗油率等特點。隨著航空發(fā)動機工作溫度的提高，鎳基合金以其出色的耐高溫腐蝕性、抗氧化性、抗蠕變性和強度也成為航空發(fā)動機渦輪葉片的首選材料。然而，僅依賴材料特性仍難以完全抵御高溫燃氣對結(jié)構(gòu)材料的損害，還需要在其表面加工出氣膜孔，利用氣膜孔冷卻降低其表面溫度，提高發(fā)動機噴氣速度和使用壽命。目前，在航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的加工制造中，大多仍然基于機械加工、電火花加工和電液束加工等傳統(tǒng)的加工方式，然而，這些傳統(tǒng)工藝存在一些不足和缺陷。激光加工技術(shù)利用激光束短時高能量的特性，使其與材料相互作用達到加工的目的，具有高效、高質(zhì)、可控、無污染的特性。且隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，皮秒、飛秒等超快激光憑借超短的脈寬，越來越適用于耐高溫材料的微孔加工。

圖1 航空發(fā)動機渦輪葉片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2葉片氣膜孔冷卻示意圖

研究背景

激光加工大深徑比微孔時，孔型的錐度調(diào)控一直是國內(nèi)外研究學(xué)者所關(guān)注的核心問題。這是因為激光的能量呈高斯分布，激光光斑中間能量大，四周能量小，在加工微孔時，孔中心材料去除速度遠遠大于周圍材料去除速度，因此形成一定的錐度，隨著孔深的增加，大量的激光能量被孔壁反射，材料無法去除，微孔的錐度持續(xù)增大直到達到飽和狀態(tài)。因此，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)和學(xué)者對氣膜孔孔型錐度控制進行了深入的分析和研究，最終得出結(jié)論，采用工藝參數(shù)優(yōu)化和多步法鉆孔的激光鉆孔方法可以有效降低微孔的錐度，但不能實現(xiàn)任意錐度的微孔加工，為了得到任意錐度的微孔形貌，需要改變激光光軸與材料的相對角度，使激光能量直接作用到微孔側(cè)壁，從而進一步改善錐度。目前傾斜激光入射的加工方法主要有兩種，即傾斜工件加工和傾斜光束加工。針對鎳基高溫合金材料微孔加工，采用光束與工件傾斜一定角度旋轉(zhuǎn)的方法可以進行良好的錐度調(diào)控，但激光參數(shù)仍然會對孔的形貌產(chǎn)生影響。

圖3 傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔示意圖

圖4 傾斜激光旋轉(zhuǎn)鉆孔示意圖

主要內(nèi)容

為了全面徹底地解決微孔加工中的錐度問題，本文基于傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔的工藝方法，首先探究了飛秒激光離焦量與微孔形貌的對應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著激光焦點從工件表面下方逐漸移動到上方時，微孔的錐度由-0.32°增大到3.41°，微孔的出口孔徑顯著降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當離焦量為負時，激光焦點靠近出口位置，激光峰值功率高，材料去除率也高，因此出口孔徑較大。隨著激光焦點的不斷上移，出口處的激光能量逐漸降低，導(dǎo)致出口孔徑快速減小，孔的錐度也快速增大，同時，由于激光焦點在工件表面之上，激光處于發(fā)散狀態(tài)，導(dǎo)致微孔出口的邊緣輪廓質(zhì)量下降，出現(xiàn)鋸齒狀形貌，影響了出口圓度。

圖5 不同離焦量下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

接著探究了飛秒激光重復(fù)頻率與微孔形貌的對應(yīng)關(guān)系。從實驗結(jié)果可以看出，當激光重復(fù)頻率從10 kHZ增大到100 kHZ后，微孔的入口直徑在一定范圍內(nèi)波動，變化不大，但微孔的出口直徑逐漸增大直到達到飽和。這是因為當重復(fù)頻率較低時，激光的脈沖重疊率較低，相同加工時間內(nèi)單位面積上材料吸收的激光能量較低，導(dǎo)致出口直徑較小。隨著重復(fù)頻率的增加，激光的平均功率和脈沖重疊率增加，材料吸收的激光能量增大，微孔出口直徑顯著增大，從而導(dǎo)致孔的整體錐度降低。當重復(fù)頻率為10 kHz時，微孔的出口圓度最好，基本沒有鋸齒形結(jié)構(gòu)和燒蝕痕跡。隨著重復(fù)頻率的增加，微孔的出入口都出現(xiàn)了不同程度的重鑄層和激光熱影響區(qū)，這是因為當單脈沖能量不變時，重復(fù)頻率的增加使激光的脈沖重疊率增加，單位時間內(nèi)脈沖數(shù)量的增加，材料的燒蝕閾值降低，導(dǎo)致熱積累現(xiàn)象更加顯著。

圖6 不同重復(fù)頻率下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

之后探究了飛秒激光掃描半徑與微孔形貌的對應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著掃描半徑的不斷增大，孔出入口直徑也不斷增大，這是由于工件傾斜加工，激光掃描平面與工件加工平面存在夾角，設(shè)置的掃描半徑投影到加工平面上會進一步增大，激光掃描半徑與孔的出入口直徑大約成線性相關(guān)，比例系數(shù)與機床A軸偏擺角度有關(guān)。不同的掃描半徑對孔錐度的影響不大，該實驗證明了通過改變激光掃描半徑能實現(xiàn)任意孔徑的無錐度微孔加工。

圖7 不同掃描半徑下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

然后探究了飛秒激光光軸偏移量與微孔形貌的對應(yīng)關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，當激光光軸與工件旋轉(zhuǎn)中心偏置量在10 mm以內(nèi)時，孔的出入口直徑幾乎不變，當偏置量大于10 mm且不斷增大時，孔的入口直徑顯著增大，出口直徑也有所增加，這是由于工件做旋轉(zhuǎn)運動，激光與工件旋轉(zhuǎn)軸偏置量的增加導(dǎo)致激光在工件上的加工區(qū)域增加，入口處材料被大面積去除，而激光掃描面積的增加也導(dǎo)致了激光功率的分散，被激光反復(fù)掃描的中心區(qū)域能量集中，激光只掃描一遍的四周區(qū)域激光能量無法去除更多材料，從而導(dǎo)致孔錐度的不斷增大。因此，在進行飛秒激光鎳基合金單孔加工實驗中，需要控制激光光軸與工件旋轉(zhuǎn)中心偏置量在10 mm以下，才能實現(xiàn)無錐度孔加工。

圖8 不同X軸移動量下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

最后，針對6 mm鎳基合金的深微孔加工，在前期工藝參數(shù)探究的基礎(chǔ)上，采用激光縱向進給的加工工藝，通過改變激光焦點位置來調(diào)整激光能量分布，使激光能量集中部分能直接作用到材料待加工位置，使激光鉆孔深度和加工效率顯著提高。同時在實驗過程中采用旁軸吹氣裝置，引入吹氣輔助工藝。在激光對工件材料進行燒蝕打孔的過程中，旁軸吹氣裝置將空氣壓縮并通過噴嘴噴在工件上的待加工微孔位置處。從而將激光打孔過程中的廢屑吹出，改善排屑條件，提高激光的加工效率，有利于深孔加工。同時室溫的壓縮空氣持續(xù)流動，也可以降低待加工微孔的加工溫度，減小激光的熱影響，提高微孔的加工質(zhì)量，最終實現(xiàn)了6 mm厚鎳基合金材料的無錐度高質(zhì)量單孔加工。

圖9 吹氣輔助加工圖。(a)示意圖；(b)實物圖

圖10 6 mm通孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔形貌CT圖

結(jié)論與展望

文中針對鎳基合金材料深微孔加工的錐度問題，基于傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔的激光加工工藝，首先闡述了加工方法和實驗原理，然后在鎳基合金材料上開展了無錐度單孔加工實驗，采用控制變量法探究了不同激光參數(shù)對微孔形貌的影響規(guī)律。

當激光離焦量由正離焦逐漸變化到負離焦時，微孔的入口直徑基本不變，出口直徑明顯增大。當激光重復(fù)頻率較小時，微孔的出口直徑較小，錐度較大，但較大的重復(fù)頻率會使激光的熱效應(yīng)增加，影響微孔形貌質(zhì)量。傾斜工件旋轉(zhuǎn)加工通孔時的孔徑大小主要取決于激光振鏡掃描填充圓的直徑。隨著掃描半徑的不斷增大，孔出入口直徑也不斷增大，但孔的錐度基本不變。激光與工件旋轉(zhuǎn)軸的偏置量越大，得到孔的出入口直徑也會越大，但是同時孔的錐度也在變大。

針對6 mm鎳基合金直微孔加工，采用激光縱向進給的加工工藝，該方案主要分為鉆孔、擴孔、修孔三個過程。同時要采用吹氣輔助的工藝方案，提高加工效率和加工能力，選擇合適的傾斜角度后，成功在6 mm厚的鎳基合金材料上加工出了錐度為0.14°的大深徑比微孔。