飛秒激光加工鎳基高溫合金微孔試驗(yàn)研究

楊 薇

（海軍裝備部，陜西西安 710021）

鎳基高溫合金是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基鑄造合金，具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的熱端部件制造[1]。鎳基單晶材料因內(nèi)部沒有晶界等缺陷，強(qiáng)度更高、抗蠕變性能更好，廣泛用于渦輪葉片組件中，而渦輪葉片在使用過程中往往存在大量的冷卻氣膜孔。氣膜孔的作用是在運(yùn)行過程中，使冷卻氣體通過而在葉片表面形成一層氣膜，從而達(dá)到隔絕高溫、降低溫度的目的[2-4]。為了保障渦輪葉片的壽命與強(qiáng)度，單晶材料氣膜孔往往要求無重熔層、微裂紋及熱影響區(qū)[5]。

目前，氣膜孔的加工方法主要有電火花加工、電液束加工、激光加工及復(fù)合加工[6-9]。其中，電火花加工是通過極間放電去除材料的方式，使材料局部出現(xiàn)熔融后得以去除，存在明顯的重熔層；電液束加工是依靠陽極腐蝕的原理進(jìn)行材料去除，存在的加工問題主要是加工精度和穩(wěn)定性較低，且污染嚴(yán)重。這兩種方法存在的明顯問題是無法加工不導(dǎo)電的陶瓷涂層，難以滿足航空領(lǐng)域未來發(fā)展需求。在激光加工中，普通的長(zhǎng)脈沖激光加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大，對(duì)材料的燒蝕嚴(yán)重，且容易形成重熔層，無法滿足單晶材料的質(zhì)量要求。飛秒激光是一種脈寬極窄、峰值能量極高的超快激光，與材料作用時(shí)可以在極短的時(shí)間內(nèi)將激光能量注入到需要加工的區(qū)域，材料的溫度瞬時(shí)升高，直接轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)噴發(fā)出去以實(shí)現(xiàn)材料去除，理論上可達(dá)到“冷加工”的效果[10-11]。

近年來，飛秒激光加工氣膜孔技術(shù)已取得了巨大的進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了加工航空葉片氣膜孔的小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，加工出的氣膜孔能夠滿足部分需求。但隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氣膜孔質(zhì)量的要求也越來越高，這也對(duì)飛秒激光加工氣膜孔的加工工藝提出了新的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)飛秒激光加工單晶材料開展了諸多研究，但成果偏于理論，對(duì)飛秒激光在氣膜孔加工應(yīng)用領(lǐng)域的中存在的質(zhì)量問題、效率問題等未見詳實(shí)報(bào)道。本文采用正交試驗(yàn)分析了飛秒激光激光功率、單層作用時(shí)間、單層進(jìn)給量對(duì)鎳基單晶材料加工微孔的影響，并提出了相應(yīng)的改善方法，以期對(duì)今后的飛秒激光參數(shù)化研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用鎳基單晶高溫合金DD6為研究對(duì)象，材料規(guī)格為20 mm×30 mm×2 mm，材料化學(xué)成分見表1。

表1 鎳基單晶合金DD6的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用五軸超快激光微加工設(shè)備，設(shè)備具有對(duì)激光掃描軌跡控制的螺旋掃描模塊，通過控制光束可在材料表面形成螺旋掃描軌跡，在機(jī)床進(jìn)給的配合下作用區(qū)域內(nèi)激光束與材料作用完成去除，形成微孔。圖1是掃描模塊的光學(xué)加工頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，激光器采用20 W飛秒激光器，其主要參數(shù)為波長(zhǎng)1030 nm、脈寬235 fs、基礎(chǔ)重復(fù)頻率200 kHz。

圖1 光學(xué)加工頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

基于前期的激光加工經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)研究選取激光功率、單層作用時(shí)間、單層進(jìn)給量為影響因素對(duì)微孔孔型、效率及冶金質(zhì)量進(jìn)行規(guī)律研究，每個(gè)因素各有三個(gè)水平，以此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。由于三因素三水平正交表不存在，研究時(shí)增加了一空白因素X以構(gòu)成四因素三水平正交試驗(yàn)，即L9（34）。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素水平表見表2。

表2 正交因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將微孔理論值均設(shè)置為0.4 mm，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同參數(shù)在高溫合金試片進(jìn)行螺旋掃描加工微孔。采用影像測(cè)量?jī)x測(cè)量每一組參數(shù)下的微孔正反面孔徑值，以反面/正面的結(jié)果表征孔型，如果比值大于1，則代表孔型為倒錐，反之則錐形。另外，將9組參數(shù)下的結(jié)果進(jìn)行金相分析，判斷不同參數(shù)下孔壁的冶金質(zhì)量，以局部最大重熔層厚度作為檢測(cè)值。制孔效率方面，由于激光聚焦后，在焦深范圍內(nèi)均有加工能力，因此試驗(yàn)過程中，通過輔助觀測(cè)設(shè)備記錄試片打穿的層數(shù)來評(píng)估不同參數(shù)對(duì)效率的影響，并以打穿時(shí)間來代替表征制孔效率。微孔加工結(jié)束層數(shù)則按照2 mm厚度，根據(jù)單層進(jìn)給量進(jìn)行理論計(jì)算后得出，得到正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。分析表3可知，激光加工工藝參數(shù)對(duì)孔型、效率及冶金質(zhì)量影響程度依次如下：

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

（1）對(duì)微孔孔型影響：?jiǎn)螌幼饔脮r(shí)間＞功率＞單層進(jìn)給量。

（2）對(duì)制孔效率影響：功率＞單層作用時(shí)間＞單層進(jìn)給量。

（3）對(duì)冶金質(zhì)量影響：功率＞單層作用時(shí)間＞單層進(jìn)給量。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，分析各工藝參數(shù)對(duì)孔型、效率及冶金質(zhì)量的影響規(guī)律如下：

（1）孔型

隨著功率增大，孔型呈現(xiàn)從正錐到圓柱、倒錐、再到正錐的現(xiàn)象，而單層作用時(shí)間和單層進(jìn)給量則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。針對(duì)該現(xiàn)象，分析其中原因：當(dāng)功率較小時(shí)，整體能量密度較小，作用區(qū)域內(nèi)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，最終形成正錐；當(dāng)功率逐步增大時(shí)，作用區(qū)域內(nèi)材料的去除量逐漸增加，直至形成倒錐；當(dāng)功率繼續(xù)增大時(shí)，由于螺旋掃描軌跡按等角速度運(yùn)轉(zhuǎn)，掃描區(qū)域中心激光能量密度大，該區(qū)域內(nèi)材料去除速度占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，因而很容易再形成正錐。

對(duì)應(yīng)的，單層進(jìn)給量和單層作用時(shí)間分別代表激光焦點(diǎn)沿制孔方向進(jìn)給量和單層掃描區(qū)域內(nèi)激光焦點(diǎn)停留的時(shí)間。單層進(jìn)給量越小或單層時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，除了激光焦點(diǎn)作用外，沿光束傳播方向的離焦作用也起到一定作用，離焦加工導(dǎo)致在激光焦點(diǎn)未作用之前，沿制孔方向某截面的材料與激光離焦作用去除不徹底；當(dāng)激光焦點(diǎn)再次在較短時(shí)間內(nèi)作用時(shí)，受型面加工角度等因素影響，焦點(diǎn)去除量被打折扣，因而有形成圓柱或正錐的趨勢(shì)；隨著單層進(jìn)給量逐漸增大或單層作用時(shí)間短時(shí)，達(dá)到材料去除量與焦點(diǎn)進(jìn)給距離相匹配，作用區(qū)域內(nèi)激光焦點(diǎn)均能適時(shí)作用于材料表面，材料一次去除程度高，有利于形成倒錐。

（2）效率

激光功率與材料去除效率直接相關(guān)，隨著激光功率增加，能量輸入增加，單位時(shí)間內(nèi)材料去除量增加，顯然材料去除效率增加；同樣的，單層進(jìn)給量與單層掃描時(shí)間決定了激光與材料焦點(diǎn)作用關(guān)系，直接影響了材料的去除效率。當(dāng)單層進(jìn)給量大或單層時(shí)間較小時(shí)，材料去除量與焦點(diǎn)位置相匹配，材料去除效率高。

（3）冶金質(zhì)量

以重熔層、熱影響區(qū)及微裂紋評(píng)價(jià)激光加工的冶金質(zhì)量，隨著功率增大及單層作用時(shí)間增長(zhǎng)，單晶材料的重熔層厚度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。分析可知，當(dāng)激光在材料作用區(qū)域停留時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，單位區(qū)域受熱影響出現(xiàn)熔融的幾率增大，因而出現(xiàn)重熔層厚度增大等結(jié)果；相反的，當(dāng)單層進(jìn)給量增大時(shí)，激光在作用區(qū)的停留時(shí)間減小，在一定程度上減小了重熔層出現(xiàn)的幾率。

3 氣膜孔制孔參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，從微孔孔型來看，按照比值越大越有利的原則進(jìn)行優(yōu)選，最佳參數(shù)為A2B2C3；從效率上，按照時(shí)間越短，效率越高的原則，最佳參數(shù)應(yīng)該為A3B1C3；從冶金質(zhì)量方面，優(yōu)選方案應(yīng)該重熔層越小越好，表中有多組參數(shù)滿足。

由于質(zhì)量特性不一致，以上三個(gè)方案不完全相同，可能出現(xiàn)對(duì)孔型有利的方案而對(duì)冶金質(zhì)量不利的情況，因此需要采用解決多指標(biāo)試驗(yàn)問題的綜合平衡法來進(jìn)行評(píng)估。三種最優(yōu)方案中，對(duì)單層作用時(shí)間B來說，孔型是最大影響因子，直接選取最大值B2，其余兩項(xiàng)指標(biāo)均是次要影響因素，單層作用時(shí)間以B2為最優(yōu)；同樣的，對(duì)單層進(jìn)給量而言，C因素對(duì)三項(xiàng)指標(biāo)均是影響最不明顯指標(biāo)，但結(jié)果均以C3為最優(yōu)水平。因此，首先確定B2C3為優(yōu)選方案。

對(duì)于功率A來說，效率和冶金質(zhì)量影響的極差最大，說明功率是最明顯因子，而最優(yōu)水平卻是兩個(gè)不同的結(jié)果，本部分由于效率計(jì)算值僅以試片打穿時(shí)間為依據(jù)，未考慮微孔指標(biāo)的其他條件，按照氣膜孔加工質(zhì)量?jī)?yōu)先的要求，功率A對(duì)效率的影響可以弱化，且A3水平下的冶金質(zhì)量相對(duì)較差，水平A1、A2條件下的孔型相差不是很大，因此可以將A1、A2作為可供優(yōu)選條件。

至此，通過正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，選出兩套可供選擇的參數(shù)，繼而以此設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證、排除，具體試驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 試驗(yàn)參數(shù)表

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，功率A在A1與A2之間，孔型由正錐向倒錐發(fā)展，孔穿時(shí)間逐漸縮短，同時(shí)功率在A2條件下，孔壁也無重熔層存在，因此確定A2B2C3為本試驗(yàn)條件下的最佳制孔方案。

優(yōu)選后的激光制孔參數(shù)在功率15 W、單層進(jìn)給時(shí)間600 ms、單層進(jìn)給量0.04 mm條件下制孔結(jié)果見圖2。從金相結(jié)果可知，該參數(shù)下飛秒激光加工氣膜孔微孔，圓度、孔型較好，孔壁周圍無重熔層、熱影響區(qū)等缺陷。

圖2 飛秒激光加工微孔金相圖片

同時(shí)，對(duì)優(yōu)選后的激光制孔參數(shù)進(jìn)行掃描電鏡與能譜拍攝，得到的結(jié)果見圖3和圖4。從掃描電鏡圖可看出，微孔周圍無明顯的微裂紋缺陷；從能譜圖可看出，通過飛秒激光加工，DD6高溫合金組織形貌未發(fā)生變化，主要合金元素成分未發(fā)生變化，說明孔壁在飛秒激光加工過程中未受熱影響，再次印證了優(yōu)選參數(shù)的可靠性。

圖3 飛秒激光加工微孔掃描電鏡圖像

圖4 飛秒激光加工微孔圖譜圖像

4 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)研究了飛秒激光制孔參數(shù)激光功率、單層作用時(shí)間及進(jìn)給量對(duì)DD6鎳基高溫合金孔型、效率、冶金質(zhì)量的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）隨著功率增大，微孔加工效率有所提升，但受激光能量密度與去除材料量的影響，微孔孔型呈現(xiàn)從正錐到倒錐再到正錐的規(guī)律，且重熔層出現(xiàn)的幾率及厚度也相應(yīng)增加。

（2）當(dāng)單層作用時(shí)間越小或單層進(jìn)給量越大，材料與激光焦點(diǎn)作用越占據(jù)優(yōu)勢(shì)越容易形成倒錐，且激光制孔效率越高、重熔層厚度越小。

（3）在功率為15 W、單層進(jìn)給時(shí)間600 ms、單層進(jìn)給量為0.04 mm條件下，飛秒激光加工微孔型較好，孔壁周圍無重熔層、無微裂紋及熱影響熱影響區(qū)等缺陷。