水導(dǎo)激光加工K424高溫合金熱損傷機(jī)制研究

滕嘯天,喬紅超 ,曹治赫 ,趙吉賓,張旖諾 ,4,梁金盛 ,4,于永飛

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;3.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧 沈陽 110016；4.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

K424是鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金,其特點(diǎn)是鋁和鈦元素含量高、密度低,具有較高的高溫強(qiáng)度和塑性、良好的鑄造性能。因此K424合金可用于航空、航天發(fā)動機(jī)渦輪葉片、尾噴口調(diào)節(jié)片、整鑄渦輪轉(zhuǎn)子及導(dǎo)向器等精密鑄造結(jié)構(gòu)件[1]。然而,雖然K424高溫合金具有以上優(yōu)異的性能,但是其導(dǎo)熱能力差,在加工過程中產(chǎn)生的熱量不容易擴(kuò)散,可能會在加工區(qū)域出現(xiàn)燒傷或裂紋。同時它的金相組織中晶粒較為粗大[2],在加工過程中,受單向拉伸應(yīng)力作用時會增加晶粒間拉伸應(yīng)力的作用,容易造成脆性的沿晶斷裂[3]。所以傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)很難達(dá)到良好的加工質(zhì)量。為了提升加工質(zhì)量,提出了電液束打孔、電火花打孔和激光打孔等新穎加工技術(shù)。但是電液束打孔通常會出現(xiàn)點(diǎn)蝕、孔口偏大、雙眼皮孔、臺階狀、孔壁不完整等缺陷[4],電火花打孔加工過程需要不斷調(diào)整電極與工件之間的放電間隙,易造成短路、燒傷等缺陷,傳統(tǒng)激光加工會產(chǎn)生熱影響區(qū)、重鑄層和微裂紋等缺陷[5]。新近提出的水導(dǎo)激光加工是將水射流與激光耦合對材料表面進(jìn)行去除處理的加工技術(shù),相比于其他加工技術(shù),水導(dǎo)激光具有熱影響區(qū)與重鑄層少、幾乎不會產(chǎn)生微裂紋、加工距離長且精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此,使用水導(dǎo)激光技術(shù)來加工高強(qiáng)度低熱導(dǎo)率的K424合金較是為理想的選擇。

因水導(dǎo)激光具有其他加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢,國內(nèi)外學(xué)者對其開展了多項(xiàng)研究。李萌等[7]提出了一種水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)的光耦合方法,可以不需要CCD放大系統(tǒng)就能觀察到水與激光的耦合情況。程柏等[8]研究了同軸氣流輔助水導(dǎo)激光加工SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料,提出同軸螺旋氣流可以防止環(huán)境中的空氣影響噴射階段的水射流和排出沖擊階段的積水層,提高了水射流的穩(wěn)定性,改善了水層的狀態(tài)。孫冬等[9]對水導(dǎo)激光加工碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)水射流對減小激光的熱損傷有顯著作用,另外水導(dǎo)激光加工表面不會產(chǎn)生惡化,有助于提高材料的強(qiáng)度。Marimuthu[10]研究了水導(dǎo)激光在SiC強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料的打孔實(shí)驗(yàn),并與傳統(tǒng)的毫秒脈沖激光加工進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光加工的孔質(zhì)量更好,孔的圓度高,沒有熱影響區(qū)和重鑄層,并且孔徑受激光功率與速度的變化影響較小,說明孔的重復(fù)性好,適合工業(yè)加工。缺點(diǎn)是加工效率較低。以上研究表明雖然水導(dǎo)激光加工與傳統(tǒng)的打孔加工相比有較多優(yōu)勢,但是目前對水導(dǎo)激光產(chǎn)生熱損傷區(qū)的機(jī)理與規(guī)律總結(jié)缺少研究。

本文使用自主搭建的水導(dǎo)激光加工設(shè)備對K424高溫合金進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn),加工后的工件使用Zeiss EVO 10掃描電鏡來觀測加工產(chǎn)生的熱損傷區(qū)并總結(jié)其出現(xiàn)的規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果對水導(dǎo)激光技術(shù)減少熱損傷區(qū)的產(chǎn)生,提高加工質(zhì)量有重要意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用厚度為1.3 mm,通過線切割加工成20 mm×10 mm×3 mm規(guī)格的K424高溫合金作為實(shí)驗(yàn)試件。該材料的化學(xué)成分與物理性能由表1和表2所示。材料的金相組織如圖1所示。

圖1 材料的金相組織

表1 K424高溫合金化學(xué)成分

表2 K424高溫合金物理性能

實(shí)驗(yàn)前需將試件用無水乙醇清洗干凈,表面無污漬后放入超聲清洗儀中,溫度設(shè)置為50 ℃,頻率為40 kHz,超聲清洗15 min后吹干。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的水導(dǎo)激光加工裝置,激光在水射流引導(dǎo)下加工材料表面。為使水射流能夠充分冷卻并及時沖走熔渣,采用旋切式打孔[11]。同時為防止加工位置局部溫度過高而產(chǎn)生重鑄層,加工過程中激光與水射流軌跡為直徑不斷縮放的螺旋形,螺旋軌跡如圖2所示。最外圈的加工直徑為80 mm,激光與水射流加工一圈后直徑逐步縮減0.1 mm,等到直徑縮減到79.8 mm后下一圈再增加至80 mm。當(dāng)激光穿透材料后,繼續(xù)加工幾圈保證孔的邊緣光滑無毛刺。

圖2 激光與水射流螺旋軌跡

打孔加工后對切下的圓形工件放入鑲樣機(jī)進(jìn)行鑲嵌,檢測表面為激光加工的表面。然后使用400、800、1000、1200、1500、2000目的砂紙依次打磨。在每次打磨過程中需要加水,且使得劃痕朝著一個方向,直到打磨表面的劃痕都是一個方向后更換砂紙并使下次劃痕方向轉(zhuǎn)90°。打磨結(jié)束后,使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光。在拋光布上噴灑2.5～3.5 μm的拋光劑后開始啟動,把工件放上面拋光的同時加入適量的水防止過熱,直到表面無劃痕后用水將工件沖洗干凈。使用鑷子夾住沾有腐蝕劑的棉花球?qū)ぜ砻娌潦?5 s左右,待工件表面失去金屬光澤后迅速用清水沖洗并使用吹風(fēng)機(jī)吹干。腐蝕劑配比為1.5 g CuSO4+40 mL HCl+20 mL C2H5OH[1]。

使用Zeiss EVO 10掃描電鏡觀測工件邊緣切口處熱損傷區(qū)大小。把工件放入樣品室后抽氣至室內(nèi)真空度低于5×10-5mBar,移動樣品臺使工件位于物鏡的正下方,升起樣品臺同時避免工件觸碰到探頭,使用SE1探測器,調(diào)整至20 kV的加速電壓,7.4 mm的工作距離,將放大倍數(shù)逐步調(diào)整為50、200、2000、3000、5000、7500、10000倍后聚焦觀察并拍攝照片,對工件邊緣的重鑄層厚度進(jìn)行測量與標(biāo)注。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 孔壁微觀組織特征

將掃描電鏡放大到2000倍后,可觀察到K424高溫合金加工位置附近的金相組織,如圖3所示?？梢钥闯鲞吘壩恢镁ЯＷ兓淮?熱影響區(qū)并不明顯,但是重鑄層厚度不均勻。

圖3 K424高溫合金邊緣位置的金相組織

通過掃描電鏡放大10000倍后,可以準(zhǔn)確測量出工件邊緣處重鑄層的厚度。選取工件圓周不同的位置進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)重鑄層的厚度并不均勻,有的位置不存在重鑄層,有的位置厚度能達(dá)到2 μm以上。工件的重鑄層厚度變化如圖4所示,其大小從不存在增加至2.791 μm。

圖4 工件切口處熱損傷區(qū)大小

3.2 孔壁熱損傷機(jī)制分析

激光加工過程中能量的轉(zhuǎn)移一定遵循能量守恒定律,激光的輸入能等于激光的輸出能與材料的吸收能的總和,即:

Einput=Eoutput+Eabsorbed

(1)

其中,輸入能為激光器發(fā)射的激光總能量除去材料表面的反射和水射流內(nèi)的全反射等損失后最終入射到材料的能量,輸出能為激光蝕除材料所需的熱能,吸收能為傳遞到材料內(nèi)部的熱能,如圖5所示。

圖5 水導(dǎo)加工過程中熱能轉(zhuǎn)化的過程與現(xiàn)象

若不考慮激光在水射流內(nèi)的能量損失,輸出能為:

Einput=αPt

(2)

式中,α為吸收系數(shù)；P為激光峰值功率；t為激光脈寬。

激光的能量密度為:

I=P/(πd2/4)

(3)

式中,P為激光峰值功率；d為水射流直徑,也是激光束的直徑。I可近似為輸入能的能量密度。因水射流的引導(dǎo)與全反射,可以將激光看成作用在材料表面熱量均勻分布的熱源,則I也可作為該熱源的熱流密度。在加工過程中K424高溫合金吸熱使激光軌跡位置的局部溫度升高到到熔點(diǎn),熔化后產(chǎn)生熔池。其中,材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)需要的熱量,也就是輸出能為:

Eoutput=cpmΔT+mΔHf

(4)

式中,cp為材料的比熱容；m為蝕除材料的質(zhì)量；ΔT為材料要達(dá)到熔點(diǎn)的溫度差；ΔHf為材料發(fā)生相變的熔化潛熱。吸收能為輸入能與輸出能的差,即:

Eabsorbed=αPt-(cpmΔT+mΔHf)

(5)

在加工的一個脈沖周期內(nèi),蝕除的材料的質(zhì)量不變,則輸出能Eoutput是恒定不變的,如果激光的峰值功率過高或脈寬時間過長,輸入能就會過高,則會產(chǎn)生更多的吸熱能使更多的熱量傳遞到材料內(nèi)部,造成材料加工的熱損傷。

材料在發(fā)生相變后熔池不斷產(chǎn)生和被沖走,形成的固液表面隨著加工方向移動,同時剩余熱量作為吸收能沿著孔的形狀變化流向材料內(nèi)部低溫處。由于熱輻射影響較小,熱量的傳遞只考慮熱傳導(dǎo)與熱對流的過程。材料內(nèi)部的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞,熱傳導(dǎo)遵循Fourier定律:

(6)

式中,q為熱流密度;k為工件材料的導(dǎo)熱系數(shù);T為溫度;n為邊界的外法線方向。

在加工過程中材料內(nèi)部是不存在內(nèi)熱源的,三維熱傳導(dǎo)的微分方程為:

(7)

式中,k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料的密度；cp為材料的比熱容。

加工過程中水射流對工件持續(xù)沖刷冷卻,產(chǎn)生劇烈的對流換熱,對流熱損失的熱流密度qout可根據(jù)牛頓冷卻公式計算:

qout=hcΔT

(8)

式中,hc為對流換熱系數(shù)；ΔT為流體與固體的溫度差;hc的計算公式為:

(9)

式中,Nu為努賽爾數(shù)；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；l為特征長度。Nu的經(jīng)驗(yàn)公式如下[12]:

Nu=0.715Re1/2Pr0.4,0.15

(10)

Nu=0.797Re1/2Pr0.4,Pr>3

(11)

在上一個脈沖結(jié)束后與下一個脈沖開始前的間隙,水射流對工件冷卻并清理熔融物,每個脈沖間隙帶走上一次燒蝕材料的熱量。同時還會在工件加工表面形成一個水膜,避免熔融顆粒粘附在工件上。因此,水射流不僅可以引導(dǎo)激光,還能夠大大減少工件的熱損傷。

當(dāng)激光作用在材料的加工區(qū)域時會發(fā)生光熱作用,光能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞擴(kuò)散。當(dāng)材料吸收了一定的激光能量后,激光內(nèi)的脈沖能量先會對材料表面形成沖擊強(qiáng)化并產(chǎn)生熱能,待溫度升高達(dá)到材料熔點(diǎn)后,材料表面會發(fā)生熔化、蒸發(fā)并產(chǎn)生等離子體,實(shí)現(xiàn)材料的去除。其中,脈沖發(fā)射階段通過激光的熱效應(yīng)燒蝕材料,脈沖間隙階段通過水射流的對流換熱冷卻工件并沖走熔渣和殘留物。若吸收能較高,則在一個脈沖周期結(jié)束后,水射流未能帶走的熱量會向材料內(nèi)部傳遞,使加工區(qū)域附近的溫度升高,在孔壁形成熱影響區(qū)。同時會有來不及排出的熔融物重新凝固在切口處形成重鑄層[13]。單位脈沖時間內(nèi),若qt1>qoutt2,則說明吸收能向材料內(nèi)傳遞的熱量大于水射流冷卻的熱量,其中t1為脈沖作用時間,t2為脈沖間隙時間,這種情況材料會出現(xiàn)熱損傷區(qū)；若qt1

在水導(dǎo)激光打孔過程中,工件上加工軌跡的表面位置會逐漸被燒蝕而內(nèi)陷,當(dāng)水射流沖刷工件表面時,會在加工內(nèi)陷處形成滯止區(qū),使水柱產(chǎn)生回流,減弱沖刷效果。而隨著內(nèi)陷深度的變化,水柱的回流情況也一直變化,造成了水射流的不穩(wěn)定。同時,熔渣和熔融物在排出時可能造成切口處熱量分布不均,若是熔渣體積較大還可能造成排水不暢,也會影響水射流的穩(wěn)定。水射流的滯止回流與排水不暢如圖6所示,這些都會導(dǎo)致重鑄層的厚度變得不均勻。

圖6 水射流滯止區(qū)、排水不暢示意圖

為解決加工過程中上述水射流不穩(wěn)定的問題,可以在工件加工位置附近放置纖維粗、張力大的高潤濕吸水紙。它可以加快水射流沖刷工件后的排水速度,緩解水射流滯止區(qū)內(nèi)的水柱回流情況。同時,還可以采用拓寬加工溝槽的方法,如圖7所示。

圖7 拓寬加工溝槽示意圖

在保證孔的加工軌跡最外圈直徑不變的同時縮減軌跡最內(nèi)圈的直徑,相當(dāng)于加寬了加工軌跡的縮放距離。這樣會增大水射流的沖刷面積,增強(qiáng)冷卻效果,而且還會提高排水效率,有助于排出熔渣。

4 結(jié) 論

本文使用自主研發(fā)的水導(dǎo)激光設(shè)備對K424高溫合金進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn),通過掃描電鏡觀察工件切口處的熱影響區(qū)和重鑄層,對工件的熱損傷區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)論如下:

(1)通過水導(dǎo)激光加工后,從工件的晶粒形態(tài)情況觀察到切口處的熱影響區(qū)并不明顯,但存在重鑄層且厚度分布不均勻,其大小在在2 μm以上。

(2)從能量守恒和傳熱規(guī)律的角度對工件的熱損傷區(qū)形成過程與機(jī)理進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)激光的峰值功率與脈寬時間對熱損傷區(qū)的產(chǎn)生有影響。同時水射流的冷卻效果對熱損傷區(qū)的形成有很大的抑制作用,如果將傳遞到材料內(nèi)部的熱量控制在水射流冷卻的范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)無熱損傷區(qū)。

(3)提出了解決水射流不穩(wěn)定和排水不暢的方法,可以在加工位置附近放置吸水紙加快排水,同時還可以拓寬切割溝槽增大排水面積,使重鑄層厚度減小且均勻穩(wěn)定。