飛秒激光能量密度對(duì)鎳基合金重鑄層和加工效率的影響

張 偉，張曉兵，蔡 敏，紀(jì) 亮

（1. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2. 高能束流加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

小孔加工是激光加工應(yīng)用中最早實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上包含了大量直徑在0.3～1mm之間的冷卻小孔，加工這些冷卻孔需要占用相當(dāng)多的生產(chǎn)時(shí)間和成本。國(guó)外已經(jīng)將激光加工技術(shù)引入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻孔的制造，并證明這是一種經(jīng)濟(jì)高效率的加工方法。但目前應(yīng)用的毫秒激光、納秒激光等長(zhǎng)脈沖激光制孔方式由于存在強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，將不可避免地在加工區(qū)域產(chǎn)生重鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)等加工缺陷，這些缺陷將成為影響葉片服役壽命的重大隱患[1-5]。

20世紀(jì)90年代，超短脈沖飛秒激光器得到商業(yè)化應(yīng)用，為高質(zhì)量的材料加工提供了新的有效工具[6-10]。飛秒激光微加工技術(shù)作為一項(xiàng)高新材料加工技術(shù)，以其超高精度和超低附帶損傷的特性迅速成為材料微加工領(lǐng)域的前沿性研究方向，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-15]。21世紀(jì)初，飛秒激光開(kāi)始用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的加工研究[15]。

目前，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片的鎳基單晶高溫合金材料的加工研究工作中發(fā)現(xiàn)：飛秒激光能量密度與其損傷材料機(jī)制密切相關(guān)。不同飛秒激光能量密度下鎳基單晶高溫合金呈現(xiàn)兩種損傷機(jī)制（非熱熔性損傷和熱熔性損傷），單脈沖非熱熔性損傷閾值（Φth1）和熱熔性損傷閾值（Φth2）分別為0.23J/cm2和1.21J/cm2[16]。飛秒激光加工小孔沒(méi)有出現(xiàn)危害性的加工缺陷，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光和電加工方式[17]，但到目前為止，對(duì)于加工質(zhì)量重要的表征因素——重鑄層，有關(guān)飛秒激光加工過(guò)程中其影響因素和形貌特征的研究還非常有限。目前，已有研究結(jié)果表明，飛秒激光熱效應(yīng)和加工效率與能量密度相關(guān)，而加工效率是飛秒激光微加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一[18-19]。深入系統(tǒng)地開(kāi)展飛秒激光加工過(guò)程中重鑄層和加工效率的影響因素研究，并建立影響因素與重鑄層和加工效率的關(guān)系，能夠?yàn)轱w秒激光用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的制造提供工藝優(yōu)化依據(jù)。

本文在飛秒激光對(duì)鎳基單晶高溫合金損傷機(jī)制和閾值行為研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，深入系統(tǒng)地研究了飛秒激光能量密度（0＜Ф＜44.2J/cm2）對(duì)重鑄層和加工效率的影響規(guī)律，并建立了飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關(guān)系。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of the experimental setup for laser micromachining

圖2 鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N=500和不同能量密度加工后縱截面典型加工形貌Fig.2 SEM images of a trench machined by a femtosecond laser in nickel-based superalloy with N=500 laser pulses at different laser fluence

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片材料——鎳基單晶高溫合金（原子百分含量Ni 68.4%、Al 13.8%、Ta 2.7%、Re 1.6%、W 1.9 Co 7.3%、Cr 3.3%。試樣尺寸為直徑10mm、厚度0.5mm的圓片，表面經(jīng)過(guò)磨拋處理。飛秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示，包括飛秒激光器（脈沖寬度120fs，波長(zhǎng)780nm，重復(fù)頻率1kHz）、光路傳輸和控制單元（多級(jí)波片、偏振分光棱鏡、全反鏡、數(shù)值孔徑為0.14和0.25的聚焦物鏡等）、三維移動(dòng)平臺(tái)（步進(jìn)精度125nm）。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)和分析過(guò)程，采用掃描劃線加工方式分析能量密度對(duì)重鑄層的影響，掃描速率均設(shè)置為360μm/s，加工區(qū)域每個(gè)點(diǎn)脈沖個(gè)數(shù)N為500個(gè)，加工后試樣經(jīng)超聲清洗表面。為了表征孔壁重鑄層，對(duì)加工試樣進(jìn)行切割，鑲樣機(jī)熱鑲后，對(duì)縱截面進(jìn)行磨拋和侵蝕處理。采用掃描電鏡（Scanning Electron Microspace,SEM）進(jìn)行顯微形貌和組織觀測(cè)，采用原子力顯微鏡（Atomic Force Microspace, AFM）進(jìn)行微納米級(jí)加工深度測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 能量密度對(duì)重鑄層的影響

圖2為鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N=500和不同能量密度加工后縱截面典型加工形貌。當(dāng)能量密度為0.88 J/cm2時(shí)（約為鎳基合金非熱熔性損傷閾值Φth1的4倍，

圖3為鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N= 500加工后重鑄層厚度與能量密度的關(guān)系。結(jié)果顯示：在能量密度高于鎳基合金非熱熔性損傷閾值（0.23 J/cm2）低于熱熔性損傷閾值（1.21 J/cm2）[16]時(shí)，沒(méi)有明顯重鑄層存在。當(dāng)能量密度高于熱熔性損傷閾值時(shí)，重鑄層開(kāi)始出現(xiàn)，并隨著能量密度的增加而不斷增加，能量從1.21J/cm2增加到44.2 J/cm2，重鑄層厚度從0.2 μm增加到4.8μm。

2.2 能量密度對(duì)加工效率的影響

圖4總結(jié)了鎳基合金飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關(guān)系。結(jié)果顯示：以鎳基合金非熱熔性和熱熔性損傷閾值為分界點(diǎn)，飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度之間呈現(xiàn)兩種不同的關(guān)系。第一種關(guān)系存在于非熱熔性損傷閾值（Φth1）與熱熔性損傷閾值（Φth2）之間，如圖4箭頭所指處所示，飛秒激光單脈沖加工深度在20～50nm之間，加工深度與能量密度呈線性關(guān)系。隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加速率緩慢；第二種關(guān)系存在于熱熔性損傷閾值（Φth2）以上，如圖4箭頭所指處所示，加工深度與能量密度仍呈線性關(guān)系，與第一種關(guān)系相比，隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加速率較快。

雙溫模型描述了飛秒激光與材料交互作用時(shí)處于非平衡態(tài)的電子和晶格的溫度變化過(guò)程，并指出飛秒激光加工深度S與能量密度Φ之間存在如下的關(guān)系式[20]：

S=(1/α)ln(Φ/Φth) ， （1）式中，1/α為激光穿透深度，Φth為損傷閾值。根據(jù)式（1）和圖4的試驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)加工深度和能量密度的兩種關(guān)系線性擬合，結(jié)果得出：在第一種關(guān)系下，1/α和Φth分別為14nm和0.2J/cm2；在第二種關(guān)系下，1/α和Φth分別為144nm和1.2J/cm2。兩種關(guān)系下Φth的兩個(gè)數(shù)值分別與單脈沖非熱熔性損傷閾值（0.23J/cm2）和熱熔性損傷閾值（1.21J/cm2）基本一致，證明了試驗(yàn)結(jié)果的合理性。因此，非熱熔性和熱熔性損傷下，飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關(guān)系為：

圖3 鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N = 500加工后重鑄層厚度與能量密度關(guān)系Fig.3 Recast layer as a function of the laser fluence at the constant pulse number N = 500 in nickel-based superalloy

圖4 鎳基合金飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關(guān)系Fig.4 Ablation depth for single pulse as a function of the laser fluence in Ni-based superalloy

圖5 鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工單個(gè)微孔時(shí)間與能量密度的關(guān)系Fig.5 Machining time for single hole as a function of the laser fluence in nickel-based superalloy

在以上飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度關(guān)系的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)在熱熔性損傷條件下對(duì)厚度為500μm的樣品進(jìn)行直徑為500μm的微孔加工，進(jìn)一步研究能量密度對(duì)加工效率的影響。圖5為鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工單個(gè)微孔時(shí)間與能量密度的關(guān)系。結(jié)果顯示：隨著能量密度的增加，加工單個(gè)微孔所用的時(shí)間逐漸降低，能量密度從3.9J/cm2增加到19.6J/cm2，單個(gè)微孔的穿透時(shí)間從90min下降到6min，這一規(guī)律與飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度關(guān)系規(guī)律一致。

3 分析討論

能量密度是影響飛秒激光加工的一個(gè)重要參數(shù)[16-19]。飛秒激光具有兩種損傷方式，分別為非熱熔性損傷和熱熔性損傷，與能量密度密切相關(guān)。由固定的熱熔性損傷閾值把兩種損傷嚴(yán)格的分開(kāi)。在飛秒激光熱熔性損傷下，隨著能量密度的增加，加工側(cè)壁重鑄層厚度增加（見(jiàn)圖2～3）。飛秒激光在較高的能量密度下將導(dǎo)致重鑄層以及重鑄層中疏松孔洞等加工缺陷的存在，從而導(dǎo)致加工質(zhì)量的降低（見(jiàn)圖2）。

本文在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上得到了非熱熔性和熱熔性損傷下飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關(guān)系式（2）～（3）。首先，在非熱熔性損傷下（Φth1＜Φ＜Φth2），飛秒激光單脈沖加工深度在20～50nm之間，并且隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加較緩慢，此時(shí)飛秒激光加工效率較低。在熱熔性損傷下（Φ＞Φth2），飛秒激光單脈沖加工深度在50nm以上，并且隨著能量密度的增加，飛秒激光單脈沖加工深度增加較快，與非熱熔性損傷下飛秒激光加工效率相比，熱熔性損傷下加工效率較高。能量密度對(duì)微孔加工時(shí)間的影響研究進(jìn)一步證明了熱熔性損傷機(jī)制下能量密度與加工效率的直接關(guān)系，即隨著能量密度的增加，加工單個(gè)微孔所用的時(shí)間逐漸降低，能量密度從3.9J/cm2增加到19.6 J/cm2，穿透時(shí)間從90min下降到6min。從微孔加工效率而言，本文認(rèn)為提高能量密度是提高加工效率的有效方法。

4 結(jié)論

飛秒激光對(duì)鎳基合金加工過(guò)程中，能量密度與重鑄層厚度和加工效率密切相關(guān)：在Φth1＜Φ＜Φth2時(shí)，鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工后加工側(cè)壁沒(méi)有出現(xiàn)明顯的重鑄物；在Φ＞Φth2時(shí)，加工側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)重鑄物。隨著能量密度的增加，重鑄層厚度增大。能量密度越高，飛秒激光單脈沖加工深度越大，加工效率越高。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關(guān)系。

參 考 文 獻(xiàn)

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