高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔皮秒激光加工試驗

吳 博，陳 陽，張云鵬

（1.空軍裝備部駐西安地區(qū)第二軍事代表室，陜西西安 710000；2.西安航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710021；3.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072 ）

航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為“飛機(jī)的心臟”，渦輪葉片是發(fā)動機(jī)工作的核心部件，長期處于高溫、高壓的工作環(huán)境中，其強(qiáng)度與壽命直接決定了航空發(fā)動機(jī)的可靠性[1]。自上世紀(jì)80 年代，我國就將發(fā)動機(jī)研制列入國家重大發(fā)展規(guī)劃，通過航空發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)與突破，滿足未來航空發(fā)展的各種需求。幾十年來，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，試圖從材料、工藝、試驗環(huán)境等多學(xué)科解決困境，并取得了顯著的成績。

鎳基高溫合金被廣泛用于渦輪葉片組件中，特別是單晶高溫合金，其內(nèi)部沒有晶界等缺陷，強(qiáng)度更高，抗蠕變性能更好。渦輪葉片工作環(huán)境復(fù)雜，為了滿足其高溫服役需求，葉片表面往往存在大量的冷卻氣膜孔。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，冷卻氣體通過氣膜孔在葉片表面形成一層氣膜，從而達(dá)到隔絕高溫燃?xì)獾哪康腫2-4]。以某發(fā)動機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片為例，該葉片緣板共分布600 余個氣膜孔，這些氣膜孔尺寸小、精度要求高，由于分布在復(fù)雜型面上，加工角度也不盡相同，且個別區(qū)域為滿足冷卻需求而將氣膜孔設(shè)計為異形孔，這些對于氣膜孔加工設(shè)備及工藝提出了極高的要求。

采用傳統(tǒng)的電火花及電液束氣膜孔加工工藝，一方面會由于設(shè)備自身自動化程度低、適應(yīng)性窄，無法一次性實現(xiàn)大量多種孔徑氣膜孔自動加工且電火花加工的氣膜孔具有較厚的重熔層、微裂紋等缺陷；另一方面，電火花設(shè)備加工異形孔的工序復(fù)雜，電液束工藝更是難以加工異形孔，這直接限制了高質(zhì)量、高效冷卻氣膜孔在渦輪葉片中的應(yīng)用[5]。具有脈沖寬度短、峰值功率高、自動化程度高的皮秒激光加工方式被寄予厚望，有望成為能一次性實現(xiàn)高質(zhì)量、高效冷卻氣膜孔應(yīng)用的良好手段。

1 氣膜孔皮秒激光加工試驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗采用DD5 鎳基單晶高溫合金作為研究對象，試驗階段選用厚度為3 mm 的DD5 試片進(jìn)行工藝參數(shù)的探究。

試驗選用的五軸激光微加工設(shè)備，搭載了5 個運(yùn)動軸、光束旋切掃描模塊及CTI 二維振鏡，可在不同材料上實現(xiàn)復(fù)雜曲面任意角度的高品質(zhì)圓柱孔、異形孔加工；同時，該設(shè)備還配置了三維檢測輔助定位、激光脈沖靶標(biāo)控制、實時穿透監(jiān)測、同軸定位、實時光參量監(jiān)測控制及環(huán)控系統(tǒng)等功能，可滿足高品質(zhì)氣膜孔要求的各項指標(biāo)。

1.2 試驗方案

氣膜孔質(zhì)量主要受重熔層、熱影響區(qū)、微裂紋等組織缺陷以及圓度、錐度等形態(tài)特征的影響?；诩す饧庸そ?jīng)驗，氣膜孔圓度的主要影響因素包括偏振度、光路精度、激光像散及光斑橢圓度[6]，可通過調(diào)節(jié)波片與光路精度，將氣膜孔圓度調(diào)試到最佳狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，試驗選擇激光功率、離焦量和單層進(jìn)給量作為氣膜孔錐度、重熔層厚度和加工效率的影響因素，再增加空白因素X 構(gòu)成四因素三水平正交試驗方案，即L9（34）[7]，因素水平見表1。

表1 因素水平表

1.3 試驗過程

試驗采用旋切掃描加工頭在厚度3 mm 的DD5試片上加工孔徑0.6 mm 的氣膜孔；采用500 倍金相顯微鏡檢測不同工藝參數(shù)加工氣膜孔的內(nèi)壁是否有重熔層、微裂紋和熱影響區(qū)；采用二次元影像測量儀測量不同工藝參數(shù)加工氣膜孔的正反面孔徑，并以正面孔徑與反面孔徑的差值來表征氣膜孔錐度，當(dāng)數(shù)值為正則氣膜孔孔形呈正錐形，反之則為倒錐，當(dāng)數(shù)值為0 則氣膜孔孔形為圓柱孔；通過氣膜孔擊穿時間來表征加工效率，利用設(shè)備實時穿透監(jiān)測模塊對氣膜孔穿透情況進(jìn)行判斷，當(dāng)圖像連續(xù)觀察不到激光加工軌跡時表示氣膜孔擊穿，并記錄該過程的時間作為加工效率的評判依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

表2 是正交試驗參數(shù)下氣膜孔加工的試驗結(jié)果。由此初步分析得以下結(jié)論：①功率對氣膜孔內(nèi)壁重熔層厚度的影響最顯著，其次是單層進(jìn)給量，離焦量的影響程度較低；②離焦量對氣膜孔錐度的影響程度最大，功率次之，單層進(jìn)給量的影響程度較低；③加工效率受激光功率影響最大，單層進(jìn)給量次之，離焦量對其影響程度較低。

表2 正交試驗結(jié)果

2.2 重熔層厚度

重熔層作為表征氣膜孔質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，會直接影響材料的疲勞壽命。渦輪在高溫高壓環(huán)境下，如果重熔層得不到控制，極易發(fā)生斷裂并導(dǎo)致嚴(yán)重事故，故通常要求高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔重熔層厚度不大于0.02 mm。圖1 是不同因素水平下的重熔層厚度曲線?？梢姡S著激光功率的上升，氣膜孔重熔層逐漸開始顯現(xiàn)。當(dāng)激光功率達(dá)到70 W時，氣膜孔內(nèi)壁普遍出現(xiàn)重熔層，但重熔層厚度會隨單層進(jìn)給量的增加適當(dāng)減小，這是由于單層進(jìn)給量增大會減少激光與材料相互作用的時間，致使激光在該區(qū)域停留的時間縮短，這在一定程度上抑制重熔層的產(chǎn)生[8-9]。

圖1 不同因素水平下的重熔層厚度變化

2.3 氣膜孔錐度

圖2 是不同因素水平下的氣膜孔錐度曲線?？梢?，當(dāng)離焦量為-0.2 mm 時，氣膜孔接近于圓柱孔，即正反面孔徑基本一致。離焦量對氣膜孔錐度的影響最為顯著，處于負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下更容易加工出錐度較小的氣膜孔。這是由于正離焦加工時激光焦點初始位置處于材料之外，表面能量密度遠(yuǎn)小于聚焦時的能量密度，加工過程中激光進(jìn)給的實際距離小于氣膜孔深度，焦點光斑在氣膜孔擊穿時無法到達(dá)孔底部，孔底去除材料的效果受限，導(dǎo)致氣膜孔出口孔徑小于入口，形成正錐形氣膜孔。采用負(fù)離焦加工時，焦點的初始位置處于材料內(nèi)部，隨著激光不斷進(jìn)給，孔內(nèi)壁的激光能量密度逐漸升高，加上激光在孔內(nèi)的反射作用，等離子體對激光的發(fā)散作用同樣會導(dǎo)致部分激光輻射到孔內(nèi)壁，此時激光的能量密度將大于材料的燃燒閾值，從而將氣膜孔內(nèi)部的材料充分去除，形成倒錐形氣膜孔或圓柱孔[10]。

圖2 不同因素水平下的氣膜孔錐度變化

選擇厚度3 mm 的DD5 高溫合金試片，固定激光功率為60 W，設(shè)置單層進(jìn)給量在0.02～0.03 mm區(qū)間，每間隔0.005 mm 加工一個直徑0.6 mm 的氣膜孔，測量錐度結(jié)果見表3?？煽闯?，當(dāng)單層進(jìn)給量為0.03 mm 時，氣膜孔接近于圓柱孔。

表3 不同單層進(jìn)給量下氣膜孔錐度測量結(jié)果

2.4 加工效率

圖3 是不同因素水平下的加工效率曲線。可見，激光功率是加工效率的主要影響因素，隨著激光功率的增加，激光對材料的去除能力顯著提升。此外，單層進(jìn)給量決定了激光和材料的作用位置與焦點之間的關(guān)系，這同樣會影響材料的去除效率，當(dāng)單層進(jìn)給量與激光對材料的去除能力相匹配時，加工效率達(dá)到峰值。

圖3 不同因素水平下的加工效率變化

2.5 加工效果

采用功率60 W、離焦量-0.2 mm、單層進(jìn)給量0.03 mm 的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行加工，得到的氣膜孔見圖4 和圖5，氣膜孔表面掃描電鏡見圖6。可見，采用該參數(shù)在DD5 試片上加工的氣膜孔無重熔層、熱影響區(qū)及微裂紋，同時在氣膜孔孔徑、位置度及表面缺陷等指標(biāo)上也達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 氣膜孔正反面放大圖

圖5 金相顯微鏡下氣膜孔形貌

圖6 氣膜孔表面SEM 圖

3 結(jié)論

本文通過正交試驗的分析方法，研究了皮秒激光在DD5 高壓渦輪導(dǎo)向葉片上制孔的工藝參數(shù)對葉片氣膜孔重熔層、錐度和加工效率的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著激光功率增加，氣膜孔內(nèi)壁開始出現(xiàn)重熔層，同時加工效率也明顯提升；當(dāng)皮秒激光功率達(dá)到60 W 時，容易得到更高質(zhì)量的氣膜孔。

（2）處于負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下更易加工出圓柱孔或倒錐孔；當(dāng)離焦量為-0.2 mm 時，加工的氣膜孔錐度效果最佳。

（3）單層進(jìn)給量需要匹配相應(yīng)的激光功率，對加工效率、重熔層厚度和氣膜孔錐度都有不同程度的影響；當(dāng)激光功率達(dá)到60 W、單層進(jìn)給量增加至0.03 mm 時，氣膜孔呈現(xiàn)為圓柱孔或倒錐孔，孔內(nèi)壁無重熔層。

（4）選定功率60 W、離焦量-0.2 mm、單層進(jìn)給量0.03 mm 的工藝參數(shù)條件下，采用五軸激光微加工設(shè)備對DD5 高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔進(jìn)行一次定位自動化加工，既滿足了氣膜孔無重熔層、無熱影響區(qū)、無微裂紋的內(nèi)壁質(zhì)量要求，同時在氣膜孔孔徑、位置度及表面缺陷等技術(shù)指標(biāo)上都達(dá)到了設(shè)計要求。