高溫合金GH4169水導(dǎo)激光鉆孔工藝特性研究

于永飛,喬紅超,曹治赫,趙吉賓,張旖諾,5,梁金盛,5,滕嘯天

(1.中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化重點實驗室,遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016；3.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110819；4.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 110169；5.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展,人們對發(fā)動機(jī)性能提出了越來越高的要求。航空發(fā)動機(jī)熱端溫度已達(dá)1500 ℃,為防止發(fā)動機(jī)葉片在高溫下?lián)p壞,急需對葉片采取氣膜冷卻措施。然而,葉片氣膜孔的制孔工藝及其復(fù)雜,葉片具有自由曲面和中空內(nèi)腔,約幾十萬個氣膜孔分布在葉片前緣、葉身型面,且每排氣膜孔的孔徑不一、孔間傾斜角變化多樣[1],這給氣膜孔的加工帶來了極大的挑戰(zhàn)。氣膜孔常規(guī)加工工藝有電火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)、電化學(xué)加工(Electro-stream Machining,ESM)和激光加工(Laser Processing,LP)。其中,EDM鉆孔是目前比較成熟的一種氣膜孔加工方法,但該加工方法的材料通用性差,電極類型和材料的選擇直接影響電火花加工的材料去除率和表面完整性[2],這限制了EDM在渦輪葉片氣膜孔加工中的應(yīng)用。ESM鉆孔可以加工幾微米孔徑,且表面質(zhì)量高無重鑄層。但該工藝打孔效率極低[3],對不同工件需要采用不同的電解液,且孔的形狀控制困難,因此該工藝方法并未成為加工氣膜孔的主流技術(shù)。LP鉆孔因其材料通用性好,加工效率高,材料通用性強(qiáng)被廣泛采用[4]。LP鉆孔根據(jù)脈沖長度可分為毫秒激光鉆孔、納秒激光鉆孔和飛秒激光鉆孔。毫秒激光鉆孔和納秒激光鉆孔會產(chǎn)生較厚的重鑄層和熱影響區(qū)[5],孔的加工質(zhì)量差和重復(fù)精度低；飛秒激光能夠加工出無熱損傷的孔,但因其材料去除效率低,難以適應(yīng)大批量工業(yè)生產(chǎn)的需求[6-7]。

為兼顧制孔效率及制孔質(zhì)量,Richerzhagen[8]首次提出了水導(dǎo)激光(Water Jet Guided Laser,WJGL)加工方法,將脈沖激光耦合到微細(xì)水束加工材料,相關(guān)研究表明水導(dǎo)激光在金剛石、碳化硅、硅片、藍(lán)寶石玻璃、表面涂層材料以及半導(dǎo)體熱敏感材料的高精度加工具有很好的加工效果,這引起了國內(nèi)外學(xué)者對該技術(shù)的研究興趣。Reshed等[9]設(shè)計并開展了微細(xì)電火花和水導(dǎo)激光加工噴油嘴孔的對比實驗,發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光鉆孔和微細(xì)電火花鉆孔壁面的粗糙度Rp值分別為150 nm和450 nm,證明WJGL制孔能夠獲得更光滑的內(nèi)表面。Mangesh G[10]分別采用LP、EDM和WJGL對4.5 mm厚的CMSX-4鎳基單晶合金板進(jìn)行鉆孔實驗。實驗結(jié)果表明,WJGL加工后的孔無微裂紋和熔渣,且重鑄層的厚度可以控制在2～5 μm以內(nèi)；EDM加工的孔在重鑄層和基體之間產(chǎn)生了明顯裂紋,重鑄層的厚度在10～12 μm之間；LP的孔因熱量集中在重鑄層內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的裂紋、較大的熔渣以及厚度為30～35 μm的重鑄層。Marimuthu[11-12]對帶有熱障涂層的鎳基航空合金進(jìn)行了具有一定斜度的氣膜孔WJGL鉆孔實驗,未發(fā)現(xiàn)重鑄層和涂層分層現(xiàn)象,并基于有限元仿真探索了WJGL材料去除過程,推測該過程可能與蒸汽壓力、等離子體產(chǎn)生的高壓和水射流壓力有關(guān)。

綜上,水導(dǎo)激光加工工藝相比于常規(guī)鉆孔工藝具有加工精度高、幾乎無微裂紋、重鑄層薄等優(yōu)勢,但關(guān)于WJGL加工孔的壁面形貌特征、加工精度以及材料去除機(jī)理等方面的研究工作相對較少。本文以高溫合金GH4169為實驗材料,利用WJGL系統(tǒng)對其進(jìn)行鉆孔實驗,研究了激光能量、掃描速度對微孔加工質(zhì)量的影響規(guī)律,并總結(jié)了水導(dǎo)激光加工高溫合金GH4169的材料去除過程。本研究可以豐富WJGL相關(guān)理論,為拓寬WJGL的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

2 實驗與方法

WJGL是一種基于激光-水耦合原理的精密加工技術(shù),其耦合原理如圖1所示[13]。高功率脈沖激光通過擴(kuò)束、聚焦至噴嘴孔上表面中心,由于水和空氣的折射率不同,在入射角滿足一定條件時激光就會在水-空氣界面發(fā)生全反射并向下傳輸,在傳輸過程中水束截面的激光始終保持恒定的功率密度。除了作為光的傳輸通道,水射流還具有冷卻和沖刷熔融物的作用。此外,在射流外施加同軸氣流能夠減少周圍空氣的干擾并增加水射流穩(wěn)定段的長度,進(jìn)而增加耦合激光束的有效加工距離。

圖1 水導(dǎo)激光加工技術(shù)耦合原理[13]Fig.1 Schematic diagram of WJGL[13]

本實驗采用中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的SIA-WJGL-01型水導(dǎo)激光加工系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由Nd∶YAG固體激光器、水系統(tǒng)、水-氣-激光耦合模塊、三維移動平臺、控制系統(tǒng)五部分組成。其中,Nd∶YAG固體激光器的波長為532 nm、重復(fù)頻率為32.7 kHz、脈寬為10 ns；三維移動平臺的加工范圍為200 mm×300 mm×100 mm,重復(fù)定位精度為2 μm；噴嘴直徑為100 μm,水束直徑80 μm；加工位置始終保持在距噴嘴出口20 mm處。

鎳基高溫合金GH4169的熔化溫度在1260～1320 ℃之間,常溫下合金密度為8.24 g/cm3。熱導(dǎo)率是隨溫度變化的函數(shù),當(dāng)溫度不超過1000 ℃時熱導(dǎo)率不高于30.4 W/(m· ℃)。高溫合金GH4169的化學(xué)元素成分如表1所示[14-17],其中Ti、AL、Nb等元素增強(qiáng)了合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命。高溫合金GH4169還具有良好的抗氧化性,耐受溫度最高可達(dá)900 ℃,這歸因于存在Gr、Al等合金元素鈍化形成表面氧化物層。

表1 高溫合金GH4169合金化學(xué)元素成分表[14-17]Tab.1 GH4169 super-alloy chemical element composition[14-17]

本研究采用的實驗材料為購自上海津銷不銹鋼有限公司的高溫合金GH4169冷軋板材,通過線切割將其加工成尺寸為5 mm×10 mm×0.8 mm規(guī)格的實驗試件。材料上表面需經(jīng)過100#到400#SiC砂紙逐級打磨至上表面粗糙度為0.2 μm左右。并浸泡在酒精中超聲清洗15 min,去除金屬表面粉塵等污漬,再使用去離子水沖洗干凈。運(yùn)用表2中的加工參數(shù)對實驗試件進(jìn)行螺旋鉆孔,鉆孔中心間距為3 mm。螺旋鉆孔軌跡如圖2所示,最外環(huán)孔徑為Φ2 mm。

表2 水導(dǎo)激光鉆孔工藝參數(shù)Tab.2 Water-guided laser drilling parameters

圖2 螺旋鉆孔軌跡Fig.2 Rotary drilling trajectory

將加工后的試件用酒精棉球擦拭后,先用白光干涉儀測量孔出入口的微觀形貌,測量結(jié)果如圖3(a)、(b)所示。再用水導(dǎo)激光設(shè)備將孔沿軸線切開,使切開面朝上放置在白光干涉儀平臺上測得孔壁面形貌如圖3(c)所示。而后,將切面朝下放置進(jìn)行試樣鑲嵌,將鑲嵌好的試件打磨、拋光成鏡面。采用配比為1 g CuSO4∶5 mL HCL∶5 mL H2O的硫酸銅-鹽酸溶液侵蝕,然后用掃描電鏡對切開面進(jìn)行微觀組織分析和EDS能譜分析。測試采用的白光干涉儀型號為美國布魯克(Bruker)公司的Contour GT-K,掃描電鏡型號為德國蔡司(Zeiss)公司的EVO18。

圖3 孔的形貌圖Fig.3 Hole topography

3 結(jié)果與討論

3.1 鉆孔形貌特征

圖3(a)為白光干涉儀測得的孔入口形貌圖,從圖中可以看出,孔的入口邊緣光滑銳利,僅有少量無規(guī)則分布的鋸齒；入口外緣附著環(huán)狀不連續(xù)的顆粒狀物質(zhì),其寬度約為300 μm。這是由于WJGL鉆孔過程伴隨著熔渣飛濺使得孔的入口外緣形成了沉積層。圖3(b)為白光干涉儀測得的孔出口形貌圖,可以看出,出口處鋸齒明顯增大且數(shù)量增多,說明出口處加工質(zhì)量低于入口。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)光纖激光切縫形貌由上層豎條紋和下層傾斜條紋組成[18],當(dāng)激光焦點更靠近工件上表面時,切斜條紋區(qū)域會變寬,導(dǎo)致切縫粗糙度變大；當(dāng)激光焦點更靠近工件底部時,傾斜條紋會變窄,導(dǎo)致切縫粗糙度變小。這項研究表明探索激光切割參數(shù)對切縫形貌的影響規(guī)律對改善切割質(zhì)量有重要意義。目前關(guān)于WJGL加工產(chǎn)生的孔壁質(zhì)量和壁面形貌特征的研究較少,大多數(shù)研究僅僅是將面粗糙度值的大小用于壁面質(zhì)量的評估。然而,壁面形貌特征是導(dǎo)致加工壁面光滑或粗糙的根本因素,因此分析加工壁面的形貌特征及特征的形成原因才能找到提高加工質(zhì)量的有效方法。圖3(c)為切開后白光干涉儀測得的孔的三維形貌(加工的孔的上表面已在圖中標(biāo)出),觀察發(fā)現(xiàn)鉆孔壁面比較粗糙,孔壁面上有兩道明顯的帶狀溝痕,溝痕將壁面分為三層。

為深入研究鉆孔壁面形貌特征,選擇孔壁面內(nèi)部某固定區(qū)域(該區(qū)域在圖3(c)中標(biāo)出)大小為1.2 mm×0.8 mm的一段弧面進(jìn)行壁面形貌測量,發(fā)現(xiàn)各個孔的壁面形貌具有相似之處。圖4(a)為測量得到的孔壁面的微觀形貌,沿圖4(a)中ab段直線導(dǎo)出壁面輪廓曲線如圖4(b)所示。觀察微觀形貌和壁面輪廓曲線,可將孔壁面分成上中下三層:光滑細(xì)紋層、熔融物附著層、粗紋層,并繪成圖5所示的形貌示意圖。

圖4 測量結(jié)果Fig.4 Measurement results

圖5 孔壁形貌示意圖Fig.5 Schematic diagram of hole wall morphology

下面介紹三層形貌的具體特征以及可能形成的原因:

(1)上層光滑程度高,沿激光束方向無明顯加工痕跡。因為水導(dǎo)激光加工試件上表面時,激光功率密度和水射流狀態(tài)能夠保持恒定,水射流的沖刷力最強(qiáng),所以該層加工效果最好,因此將該層稱為光滑細(xì)紋層。

(2)中間層為熔融金屬重鑄形貌。在工件中間位置,同軸水射流會受到已加工孔壁的擾動,層流流動逐漸轉(zhuǎn)化成發(fā)散的紊流,水射流的沖刷能力變?nèi)?導(dǎo)致孔內(nèi)剩余的熔融金屬不能順利從工件上表面排出；熔融物堆積產(chǎn)生熱量集中,工件內(nèi)部熱傳導(dǎo)加劇；同時水射流紊亂會導(dǎo)致激光在水束中的傳輸受阻,激光能量不穩(wěn)定。眾多因素導(dǎo)致中間層加工狀態(tài)不佳,產(chǎn)生了熔融金屬重鑄形貌特征。

(3)下層條紋與水束平行且整齊分布,且條紋的寬度在65 μm左右,將該層稱為粗紋層。重鑄金屬形貌向粗紋層的轉(zhuǎn)變,說明材料排出變得容易,可以推斷此時出口面存在部分貫穿,熔融物可以從下表面排出。粗條紋的形成是因為當(dāng)激光加工到下層時,水射流受到加工壁面的擾動更加劇烈,水束已經(jīng)發(fā)生擴(kuò)散,導(dǎo)致激光光斑變大,因此條紋比上層條紋粗大。

3.2 激光功率和掃描速度對圓度的影響

通過分析孔壁面形貌可知,上層與下層條紋的粗細(xì)是造成出入口鋸齒狀差異的原因:上層條紋光滑細(xì)密,因此孔的入口鋸齒較小,下層條紋粗大,出口鋸齒明顯增多。為評估微孔出入口的鋸齒狀形貌差異,利用干涉儀的后處理軟件Vision64測量孔出入口的圓度并進(jìn)行對比分析。圓度越小,說明孔邊緣鋸齒越少,加工精度越高。該軟件的測量原理為:以加工孔的二維形貌圖為測量依據(jù),在孔的邊緣輪廓上手動選擇50個點擬合成最小二乘圓,保證輪廓上各點到該最小二乘圓的距離的平方和最小。最小二乘圓圓心到輪廓的最遠(yuǎn)點(xmax,ymax)距離與最近點(xmin,ymin)距離之差即為圓度誤差f。設(shè)邊緣點坐標(biāo)為(xi,yi),(i=1,2,3,…,n),最小二乘圓的圓心(x0,y0),圓度誤差f由式(1)計算得到:

f=[(xmax-x0)+(ymax-y0)]1/2-

[(xmin-x0)+(ymin-y0)]1/2

(1)

圖6為出入口圓度隨激光功率和掃描速度變化的柱狀圖。可以看出,入口圓度值均小于出口圓度值；在掃描速度恒定時,入口和出口圓度值都隨著激光功率的增大而減小,比如在掃描速度為0.8 mm/s時,隨著激光功率從25 W增加到41 W,入口圓度從4.8 μm降至3.5 μm,即激光功率與出入口鋸齒的形成緊密相關(guān)。

圖6 激光功率和掃描速度對圓度的影響Fig.6 The effect of laser power on roundness

3.3 激光功率和掃描速度對孔粗糙度的影響

考慮實驗條件和水導(dǎo)激光的材料去除機(jī)制,可將WJGL加工微孔時壁面粗糙度的來源分為以下幾種:(1)孔內(nèi)中間層熔融物排出困難,容易產(chǎn)生熔融物重鑄；(2)水射流受已加工壁面擾動導(dǎo)致光斑變大,會使切割條紋變粗,導(dǎo)致粗糙度變大；(3)激光能量的波動和加工平臺的振動等。表3為白光干涉儀測得的孔壁面的粗糙度,從表中可以看出,當(dāng)掃描速度一定時,激光功率越大,孔壁面粗糙度越??；當(dāng)激光功率一定時,掃描速度越大,孔壁面粗糙度越??；高速高功率更容易實現(xiàn)加工面光滑平整。

表3 孔壁粗糙度Ra測量結(jié)果Tab.3 Roughness of the hole

3.4 討 論

綜合以上分析,可得出下面結(jié)論:孔出入口的圓度是由于粗紋和細(xì)紋的壁面形貌造成的,當(dāng)掃描速度一定時,激光功率越大,圓度越小,面粗糙度越小。而掃描速度對圓度的影響不明顯。當(dāng)激光功率一定時,掃描速度越大,面粗糙度越小。結(jié)合微孔加工壁面粗糙度的形成原因,做出如下分析:

①當(dāng)掃描速度一定時,激光功率越大,產(chǎn)生的等離子體沖擊波越強(qiáng),越有利于熔融物的排出。Fabbro[19]提出等離子體沖擊波峰值壓強(qiáng)公式為:

(2)

式中,Pmax為沖擊波峰值壓力。ξ為等離子體內(nèi)能用來用來轉(zhuǎn)化為熱能的比例系數(shù)(0<ξ<1)；z為周圍介質(zhì)和靶材折合成的聲阻抗,用(3)式表示,本實驗中周圍介質(zhì)為水,靶材為GH4169,因此z為常數(shù)。I0為激光功率密度,其I0的計算公式為式(4),其中d=0.83·Dnozzle[20]。

(3)

(4)

通過公式(2)～(4)可知,等離子體的沖擊波峰值壓強(qiáng)與激光功率密度的平方根成正比。即激光功率密度越大,沖擊波產(chǎn)生的峰值壓強(qiáng)越大。

②粘度決定液體的流體力學(xué)特征,Eyring[21]提出的分子反應(yīng)絕對速率理論給出了液體粘度公式(5),該公式在金屬液態(tài)熔融物中也得到了驗證。

(5)

式中,η為合金粘度;NA,h,R分別為阿伏伽德羅常數(shù)、普朗克常數(shù)、氣體常數(shù);Ρ,M,Ea是液態(tài)合金的密度、合金的摩爾質(zhì)量、流動的活化能。該公式證明合金的粘度隨著溫度的升高而降低。

綜合以上兩點,可以得出,激光功率越高,金屬蒸汽產(chǎn)生等離子爆炸波越強(qiáng),浮渣去除率高；并且功率越高,熔池的溫度越高,合金粘度越低,越有利于熔融金屬的排出；因此較高的激光功率能夠降低孔壁的粗糙度。此外,合金試件中熱的傳播主要以熱傳導(dǎo)為主,高激光功率下,為避免造成材料過度燒蝕,應(yīng)提高掃描速度,降低單位時間內(nèi)傳遞到試件內(nèi)部各個方向的熱量。

3.5 重鑄層的顯微組織

GH4169的基體為Ni-Cr固溶體,晶粒形貌為完全再結(jié)晶的等軸晶粒,平均晶粒尺寸大約為25 μm,顆粒狀析出物一般為NbC[21]。圖7為加工孔內(nèi)壁的SEM圖像,掃描電鏡的加速電壓為20 kV,探測器為SE1,放大倍數(shù)為500倍?？梢钥闯?在水導(dǎo)激光加工孔壁的邊緣,合金晶粒的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了區(qū)別于基體特征的明顯變化:在靠近加工孔內(nèi)壁位置,晶界消失晶粒增粗且有波浪狀邊界,該組織寬度約在0～10 μm之間(沿孔深不同位置重鑄層的厚度不均)?？梢酝茢嗍窃赪JGL加工過程中,高溫產(chǎn)生的金屬熔融物未能及時排出,迅速冷卻再結(jié)晶形成的非晶態(tài)合金組織[22-23],即重鑄層。

圖7 加工孔內(nèi)壁的SEMFig.7 SEM of inner wall of the hole

為確定該重鑄層的成分,對重鑄層內(nèi)部與合金基體進(jìn)行EDS能譜對比分析,重鑄層與合金基體的EDS測定結(jié)果如圖8所示。

圖8 能譜圖Fig.8 Energy dispersive spectrometer

從圖8看出,該物質(zhì)主要包括包含Ni、Fe、Cr、Nb、O等元素,相比于基體,重鑄層氧元素含量從11 %增加到了22.2 %；Ni元素含量從51.5 %降至45 %；Fe元素從16.3 %降至15.2 %；Cr元素從15.5 %增加到17.5 %；Nb元素含量從5.7 %降至5.3 %；與Ni,Fe,Cr,Nb等元素相比,氧元素含量變化最大。氧元素含量顯著增多說明加工過程使得合金元素被氧化,加工孔內(nèi)壁的非晶態(tài)合金組織應(yīng)該為鉻、鎳等元素的氧化物,氧化物的形成會導(dǎo)致孔的強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

本文以GH4169合金板為實驗試件,通過改變激光功率和掃描速度兩個工藝參數(shù)對實驗試件進(jìn)行了鉆孔實驗,重點分析了各工藝參數(shù)對加工孔的表面形貌、圓度、粗糙度的影響規(guī)律,并對其水導(dǎo)激光去除材料的機(jī)制和壁面粗糙度來源進(jìn)行了分析,所得具體結(jié)論如下:

(1)激光功率與孔的出入口圓度的形成緊密相關(guān)。激光功率越大,所加工孔的出入口圓度越?。籛JGL加工厚度為0.8 mm,直徑為2 mm通孔時,入口圓度最小可達(dá)到2.9 μm,出口圓度最小可達(dá)到7.5 μm。

(2)根據(jù)切削特征可將孔壁面分成上中下三層:光滑細(xì)紋層、熔融物附著層、粗紋層?？妆诿娲植诙入S激光功率和掃描速度的增大而減小,高掃描速度和大功率有利于實現(xiàn)表面光滑平整。當(dāng)激光功率為41 W,掃描速度為1.8 mm/s時,可以獲得壁面粗糙度最小的孔。

(3)WJGL加工材料時,會孔壁面產(chǎn)生0～10 μm左右的重鑄層,該重鑄層的氧元素含量相比基體的氧元素顯著增多,將導(dǎo)致孔強(qiáng)度降低。