隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，燃燒室的工作溫度也越來(lái)越高。為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在高溫條件下的工作性能，通常在葉片表面制取氣膜孔，氣膜孔的加工質(zhì)量對(duì)其承載能力和使用壽命的影響至關(guān)重要。激光加工技術(shù)是目前制備氣膜孔的主要方法之一，所采用的激光光源主要分為長(zhǎng)脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。長(zhǎng)脈沖激光和短脈沖激光制孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微裂紋和重鑄層，超短脈沖激光對(duì)材料幾乎沒(méi)有熱損傷，但是對(duì)加工設(shè)備和工作環(huán)境要求較高，且加工效率不高。因此，為滿(mǎn)足高質(zhì)量氣膜孔的加工需求，提出水導(dǎo)激光加工方法，自行搭建了一套水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)，并進(jìn)行DD6合金制孔試驗(yàn)。試驗(yàn)成功制取了400μm直徑的直孔和45°斜孔，加工出的氣膜孔幾乎無(wú)重鑄層和微裂紋，不存在熱影響區(qū)，為氣膜孔加工提供了一種有效的技術(shù)參考。
01
序言
隨著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，高推重比和低油耗成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)，因此渦輪葉片的工作環(huán)境愈加惡劣，這對(duì)渦輪葉片的設(shè)計(jì)制造水平和工作性能提出了更高的要求[1]。目前，渦輪葉片主要采用鎳基單晶高溫合金進(jìn)行制造，并在其表面制取氣膜孔來(lái)滿(mǎn)足耐高溫需求[2]。研究表明，氣膜冷卻技術(shù)在提高渦輪葉片工作溫度中起的作用占60%～70%。因此制取高質(zhì)量的氣膜孔對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的承載能力和使用壽命至關(guān)重要。
激光加工技術(shù)是制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的主要加工方法之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣膜孔的激光加工開(kāi)展了大量研究[3]。早期激光加工氣膜孔的激光光源多采用毫秒（ms）激光，張志金等[4]利用毫秒激光在DD6合金表面制取氣膜孔，獲得的氣膜孔存在重鑄層和微裂紋等熱缺陷，且表面粗糙度較差。隨著超短脈沖激光的出現(xiàn)，利用超短脈沖激光加工氣膜孔已被廣泛研究。張瑞峰等[5]采用皮秒激光在鎳基單晶合金表面加工氣膜孔，得到的孔壁無(wú)重鑄層和熱影響區(qū)，但由于等離子體的沖擊作用，在孔壁和表面引起了輕微開(kāi)裂。飛秒激光因其極短的脈沖時(shí)間和極高的峰值功率在材料加工方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，SEE等[6]在鎳基合金試件上進(jìn)行了飛秒激光制孔試驗(yàn)，定量研究了能量參數(shù)（飛秒激光脈寬、激光波長(zhǎng)及重復(fù)頻率）與微小孔的直徑和深度之間的關(guān)系，加工出的孔無(wú)重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)。但飛秒激光對(duì)設(shè)備和環(huán)境的要求較高，并且加工效率較低。
針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了水導(dǎo)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)是利用激光在水束中發(fā)生全反射的原理，利用水作為光纖將激光導(dǎo)引到工件的表面進(jìn)行加工[7]。由于高速射流的沖刷冷卻作用，水導(dǎo)激光對(duì)加工導(dǎo)致的熱損傷抑制效果顯著，加工出的孔具有較高的加工質(zhì)量、極低的熱影響區(qū)和極小的重鑄層[8，9]。同時(shí)，水導(dǎo)激光多采用納秒激光作為激光的光源，加工效率較高。因此，本文利用水導(dǎo)激光加工技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的加工，與使用常規(guī)激光加工手段得到的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，確立了水導(dǎo)激光的加工優(yōu)勢(shì)。探索了不同功率對(duì)加工質(zhì)量的影響，成功制取了直孔和45°斜孔，為氣膜孔加工領(lǐng)域提供了一種新型解決方案。
02
試驗(yàn)分析
2.1 材料分析
本文研究的最終目標(biāo)為在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上制取高質(zhì)量的氣膜孔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。渦輪葉片常采用鎳基單晶高溫合金澆鑄而成，該類(lèi)合金強(qiáng)度高、硬度大，具有優(yōu)異的耐高溫、耐蝕性能。試驗(yàn)采用牌號(hào)為DD6的鎳基高溫單晶合金為研究對(duì)象，規(guī)格為20mm×20mm×2.6mm，材料的化學(xué)成分和物理性能見(jiàn)表1和表2。
圖1 渦輪葉片結(jié)構(gòu)
表1 鎳基單晶合金DD6的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
表2 鎳基單晶合金DD6的物理性能
試驗(yàn)前需將試件用無(wú)水乙醇清洗干凈，表面無(wú)污漬后放入超聲清洗儀中，溫度設(shè)置為50℃，頻率為40kHz，超聲清洗15min后吹干。試驗(yàn)后，為了便于觀察激光對(duì)試樣表面的燒蝕程度，對(duì)試樣的表面進(jìn)行打磨拋光處理。
2.2 制孔特征
激光制孔試驗(yàn)采用環(huán)切制孔方式，即通過(guò)控制XY 工作平臺(tái)控制工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為一系列的同心圓。加工過(guò)程如圖2所示，氣膜孔的質(zhì)量要求見(jiàn)表3。
圖2 環(huán)切制孔方式加工過(guò)程示意
表3 氣膜孔的質(zhì)量要求 （單位：μm）
2.3 試驗(yàn)設(shè)備
本文所采用加工系統(tǒng)的光源是蘇州英谷生產(chǎn)的Pulse 532-50-LP型激光器，表4展示了該激光器相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)涉及到的噴嘴包含60μm、80μm和100μm（直徑）3種規(guī)格。噴嘴中心的聚焦光斑直徑約為30μm，滿(mǎn)足耦合要求。
表4 激光器參數(shù)
03
水導(dǎo)激光加工方法
3.1 水導(dǎo)激光作用原理
光線(xiàn)從水射向空氣時(shí)，若入射角度大于一定值，光線(xiàn)會(huì)在水-空氣界面處發(fā)生全反射，隨射流傳輸。水導(dǎo)激光加工技術(shù)的工作原理如圖3所示[10]。聚焦后的激光經(jīng)過(guò)玻璃窗口和水層匯聚在噴嘴上表面，與噴嘴處射出的高壓射流耦合形成耦合能束。激光能量不是直接聚焦于工件表面，而是通過(guò)毛細(xì)層流中的水射流傳輸?shù)焦ぜ砻妗Ｒ坏┓€(wěn)定范圍內(nèi)的水射流與工件發(fā)生碰撞，水射流引導(dǎo)的激光能量就被材料表面吸收，使燒蝕區(qū)域的材料熔化、蒸發(fā)。與此同時(shí)，高速射流帶走了熔融材料、多余熱量及殘?jiān)?，?duì)加工區(qū)域進(jìn)行有效地沖刷冷卻[11]。
圖3 水導(dǎo)激光加工技術(shù)工作原理
3.2 水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)
水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)主要包括4部分，分別為耦合系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。核心部分是耦合系統(tǒng)，用于產(chǎn)生微細(xì)水射流，將激光耦合進(jìn)水束并對(duì)耦合狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)調(diào)整。光路傳輸系統(tǒng)包括激光器及準(zhǔn)直擴(kuò)束器等調(diào)整鏡組，用于將激光器產(chǎn)生的光束整形為耦合可用的光束。供水系統(tǒng)提供高壓微細(xì)水射流，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)原理和實(shí)際搭建如圖4、圖5所示。
圖4 水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)原理
1—激光器 2—快門(mén) 3—擴(kuò)束器 4、5—反射鏡
6—可見(jiàn)光光源 7—CCD相機(jī) 8、10—薄膜分束器 9—衰減器
11—聚焦物鏡 12—耦合裝置 13—高壓水入口
14—水導(dǎo)激光耦合能束 15—DD6合金
圖5 實(shí)際搭建的水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)
04
水導(dǎo)激光與其他加工手段的效果對(duì)比
為確立水導(dǎo)激光的加工優(yōu)勢(shì)，分別采用微秒脈沖激光、飛秒激光和水導(dǎo)激光對(duì)DD6合金進(jìn)行制孔加工，將得到的孔表面形貌進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。
a）微秒激光 b）飛秒激光 c）水導(dǎo)激光
圖6 不同激光加工手段制取的孔表面形貌
由圖6a可知，微秒激光加工得到的孔表面存在顯著的熱影響區(qū)，孔緣連續(xù)性較差，且存在明顯的熔融材料沉積。這是由于微秒激光的脈寬和功率較大，脈沖結(jié)束后材料得不到充分的冷卻，熱量繼續(xù)向材料內(nèi)部傳遞，導(dǎo)致出現(xiàn)大范圍的熱影響區(qū)；蝕除后的材料不能及時(shí)有效排出，沉積在材料表面形成液滴狀熔融沉積物。飛秒激光加工得到的孔表面幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)、材料熔融再沉積等加工損傷，這是因?yàn)轱w秒激光的脈沖寬度時(shí)間比熱量在晶格之間傳輸?shù)臅r(shí)間更短，使得飛秒激光加工為近似的“冷加工”過(guò)程，從而可以得到更高質(zhì)量的孔。但由于激光能量的高斯分布，飛秒激光制孔的錐度難以得到控制，且加工得到的孔圓度較差，加工效率低，因此難以滿(mǎn)足大批量孔的加工。相比之下，水導(dǎo)激光在加工過(guò)程中水流及時(shí)將熔融物帶走，克服了傳統(tǒng)微秒激光加工過(guò)程中金屬熔融物飛濺的問(wèn)題，同時(shí)射流有效地沖刷冷卻加工壁面，能夠極大地提高表面質(zhì)量，減少熱影響區(qū)。水導(dǎo)激光加工過(guò)程中，耦合能束截面能量分布均勻，使得加工過(guò)程中材料表面受熱均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)距離內(nèi)垂直加工，孔的圓度和錐度也得到良好的控制。不僅如此，水導(dǎo)激光采用納秒激光器，可以實(shí)現(xiàn)高功率的能量輸出，與飛秒激光相比極大地提升了制孔效率。綜上所述，相對(duì)于微秒脈沖激光和飛秒激光，水導(dǎo)激光在DD6合金制孔領(lǐng)域具有顯著的加工優(yōu)勢(shì)。
05
直孔加工
采用直徑60μm的噴嘴，設(shè)置射流壓力為15MPa，掃描速度1mm/s，平均功率分別為50W和40W，在DD6高溫合金上制取直徑400μm的孔。對(duì)孔的表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果如圖7所示。
a）50W，上表面 b）50W，下表面
c）40W，上表面 d）40W，下表面
e）40W，截面
圖7 不同平均功率下加工得到的孔形貌特征
加工結(jié)果顯示，不同平均功率下加工DD6得到的孔表面幾乎都無(wú)熔渣飛濺，孔的入口邊緣整齊，圓度較高，熱影響區(qū)極小。但對(duì)比不同功率水平下得到的出、入口形貌發(fā)現(xiàn)，50W功率下加工得到的孔表面存在少量的熔融金屬沉積，出口附近存在少量崩碎和材料重鑄現(xiàn)象；而40W平均功率下加工得到的孔出、入口表面圓度更高，無(wú)重鑄層和熱影響區(qū)，僅入口表面存在少量的材料沉積。分析該現(xiàn)象形成的原因，認(rèn)為在相同的工作頻率和脈沖寬度條件下，較高的平均功率對(duì)應(yīng)較高的單脈沖能量和峰值功率，材料的蝕除速率更大。而15MPa的水壓形成的水射流不足以對(duì)該條件下的加工區(qū)域進(jìn)行充分的冷卻和沖刷，導(dǎo)致部分熔融材料未能及時(shí)排出，在孔表面形成少量沉積，同時(shí)導(dǎo)致重鑄層的產(chǎn)生。當(dāng)平均功率降為40W后，射流在脈沖間隙對(duì)加工區(qū)域的冷卻和沖刷作用更為充分，孔表面的材料沉積明顯減少，孔底面幾乎看不到重鑄層，且孔的出、入口圓度得到明顯提升。
將40W功率加工得到的孔從中間豎向剖開(kāi)，得到的半孔形貌如圖7e所示?？梢?jiàn)孔壁較為光滑、連續(xù)性較好，幾乎無(wú)重鑄層和熱影響區(qū)。且孔的出、入口直徑差距不明顯，證明了水導(dǎo)激光加工得到的孔相比其他激光加工方式錐度更小。這種差異主要是由于傳統(tǒng)激光能量大多為高斯分布，激光聚焦后能量迅速發(fā)散失去加工能力；而水導(dǎo)激光由于水射流的限制，在工作距離內(nèi)射流截面能量密度均勻分布，加工景深更大，得到的孔錐度也就更小。
06
斜孔加工
發(fā)動(dòng)機(jī)葉片多為曲面結(jié)構(gòu)，在不同位置的傾角有較大的差異，往往需要在葉片上加工斜孔。為保證斜孔的完整性，要求制取的斜孔出、入口斜邊光滑無(wú)缺陷。使用水導(dǎo)激光在2.6mm厚的DD6合金上制取45°斜孔，目標(biāo)孔直徑為400μm，采用同心圓的走刀路徑，所選參數(shù)為：激光平均功率40W，掃描速度1mm/s，水壓15MPa。表征加工得到的孔上、下表面和截面形貌，如圖8所示。
a）上表面 b）下表面
c）截面
圖8 水導(dǎo)激光加工得到的斜孔形貌
對(duì)于同樣厚度的試件，斜孔的加工距離相比直孔更長(zhǎng)，加工難度更大。但觀察表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斜孔的入口圓度非常好，表面無(wú)熔融物，與未加工表面一致。孔的邊緣無(wú)缺失和斷裂，但在孔軸線(xiàn)與涂層表面夾角為銳角的一端出現(xiàn)部分殘缺，這是由于銳角端材料更薄，容易受高速水射流沖刷引起輕微缺陷?？纵S線(xiàn)與表面夾角為鈍角的一端孔過(guò)渡銳利，無(wú)崩壞情況發(fā)生。出口表面的形貌規(guī)律與入口較為一致，但由于孔底端的排水更加困難，沖刷冷卻性能更差，得到的表面質(zhì)量也就相應(yīng)降低。斜孔的截面質(zhì)量與直孔基本一致，孔壁圓滑、連續(xù)性好，幾乎無(wú)重鑄層和熱影響區(qū)，滿(mǎn)足渦輪葉片氣膜孔的制取要求。試驗(yàn)表明，水導(dǎo)激光可以在2.6mm厚DD6鎳基高溫合金上制取直徑400μm的高質(zhì)量直孔和45°斜孔，在渦輪葉片氣膜孔制取領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。
07
結(jié)束語(yǔ)
采用水導(dǎo)激光在2.6mm厚的DD6鎳基高溫合金上進(jìn)行制孔加工，并從加工質(zhì)量和效率等方面與微秒脈沖激光和飛秒激光進(jìn)行對(duì)比，確立了水導(dǎo)激光的加工優(yōu)勢(shì)。水導(dǎo)激光加工得到的400μm直孔和45°斜孔質(zhì)量?jī)?yōu)異，孔表面圓度好，幾乎無(wú)材料沉積、熱影響區(qū)和崩碎等加工導(dǎo)致的缺陷，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的制孔需求，為渦輪葉片氣膜孔的制取提供了更優(yōu)加工手段。
