飛秒激光加工鎳基高溫合金微孔試驗研究

　　摘要：采用正交試驗研究并分析了飛秒激光制孔參數激光功率、單層作用時間、單層進給量對 DD6 高溫合金孔型、效率及冶金質量的影響規律。 研究發現：在一定范圍內隨著功率增大，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，微孔孔型呈現從正錐到倒錐再到正錐的規律，且重熔層出現的幾率及厚度也相應增加;當單層作用時間越小或單層進給量越大時，材料與激光焦點作用容易形成倒錐，且激光制孔效率越高，重熔層厚度越小。 通過試驗驗證，在功率為 15 W、單層進給時間 600 ms、單層進給量 0.04 mm 的條件下，飛秒激光在 DD6 單晶高溫合金上可獲得孔型較好、孔壁周圍無重熔層、無微裂紋及熱影響熱影響區的微孔。

　　楊薇， 電加工與模具 發表時間：2021-08-19

　　關鍵詞：飛秒激光;鎳基高溫合金;激光制孔

　　鎳基高溫合金是一種沉淀強化型鎳基鑄造合金，具有強度高、熱穩定性好等優勢，廣泛應用于航空航天領域的熱端部件制造[1]。 鎳基單晶材料因內部沒有晶界等缺陷，強度更高、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度，單晶材料氣膜孔往往要求無重熔層、微裂紋及熱影響區[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行材料去除，存在的加工問題主要是加工精度和穩定性較低，且污染嚴重。 這兩種方法存在的明顯問題是無法加工不導電的陶瓷涂層，難以滿足航空領域未來發展需求。 在激光加工中，普通的長脈沖激光加工產生的熱影響區較大，對材料的燒蝕嚴重，且容易形成重熔層，無法滿足單晶材料的質量要求。 飛秒激光是一種脈寬極窄、峰值能量極高的超快激光，與材料作用時可以在極短的時間內將激光能量注入到需要加工的區域，材料的溫度瞬時升高，直接轉化為等離子態噴發出去以實現材料去除，理論上可達到“冷加工” 的效果[10-11]。

　　近年來，飛秒激光加工氣膜孔技術已取得了巨大的進步，在國內實現了加工航空葉片氣膜孔的小規模工業化生產，加工出的氣膜孔能夠滿足部分需求。 但隨著航空技術的發展，對氣膜孔質量的要求也越來越高，這也對飛秒激光加工氣膜孔的加工工藝提出了新的挑戰。 國內學者針對飛秒激光加工單晶材料開展了諸多研究，但成果偏于理論，對飛秒激光在氣膜孔加工應用領域的中存在的質量問題、效率問題等未見詳實報道。 本文采用正交試驗分析了飛秒激光激光功率、單層作用時間、單層進給量對鎳基單晶材料加工微孔的影響，并提出了相應的改善方法，以期對今后的飛秒激光參數化研究提供借鑒。

　　1 試驗設備及方法

　　1.1 試驗材料

　　試驗采用鎳基單晶高溫合金 DD6 為研究對象，材料規格為 20 mm×30 mm×2 mm，材料化學成分見表 1。

　　1.2 試驗設備

　　試驗使用五軸超快激光微加工設備，設備具有對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，在機床進給的配合下作用區域內激光束與材料作用完成去除，形成微孔。 圖 1 是掃描模塊的光學加工頭結構簡圖，激光器采用 20 W 飛秒激光器， 其主要參數為波長 1030 nm、脈寬 235 fs、基礎重復頻率 200 kHz。

　　1.3 試驗方法

　　基于前期的激光加工經驗，試驗研究選取激光功率、單層作用時間、單層進給量為影響因素對微孔孔型、效率及冶金質量進行規律研究，每個因素各有三個水平，以此設計正交試驗。 由于三因素三水平正交表不存在，研究時增加了一空白因素 X 以構成四因素三水平正交試驗，即 L9(34 )。 設計的試驗因素水平表見表 2。

　　2 試驗結果與分析

　　將微孔理論值均設置為 0.4 mm，根據正交試驗設計不同參數在高溫合金試片進行螺旋掃描加工微孔。 采用影像測量儀測量每一組參數下的微孔正反面孔徑值，以反面/正面的結果表征孔型，如果比值大于 1，則代表孔型為倒錐，反之則錐形。 另外，將 9 組參數下的結果進行金相分析， 判斷不同參數下孔壁的冶金質量，以局部最大重熔層厚度作為檢測值。 制孔效率方面，由于激光聚焦后，在焦深范圍內均有加工能力，因此試驗過程中，通過輔助觀測設備記錄試片打穿的層數來評估不同參數對效率的影響，并以打穿時間來代替表征制孔效率。 微孔加工結束層數則按照 2 mm 厚度， 根據單層進給量進行理論計算后得出， 得到正交實驗結果如表 3 所示。 分析表 3 可知，激光加工工藝參數對孔型、效率及冶金質量影響程度依次如下：

　　(1)對微孔孔型影響：單層作用時間>功率>單層進給量。

　　(2)對制孔效率影響：功率>單層作用時間>單層進給量。

　　(3)對冶金質量影響：功率>單層作用時間>單層進給量。

　　根據正交試驗結果， 分析各工藝參數對孔型、效率及冶金質量的影響規律如下：

　　(1)孔型

　　隨著功率增大，孔型呈現從正錐到圓柱、倒錐、再到正錐的現象，而單層作用時間和單層進給量則呈現相反的規律。 針對該現象，分析其中原因：當功率較小時，整體能量密度較小，作用區域內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;當功率逐步增大時，作用區域內材料的去除量逐漸增加，直至形成倒錐;當功率繼續增大時，由于螺旋掃描軌跡按等角速度運轉， 掃描區域中心激光能量密度大，該區域內材料去除速度占據明顯優勢，因而很容易再形成正錐。

　　對應的，單層進給量和單層作用時間分別代表激光焦點沿制孔方向進給量和單層掃描區域內激光焦點停留的時間。 單層進給量越小或單層時間越長時，除了激光焦點作用外，沿光束傳播方向的離焦作用也起到一定作用，離焦加工導致在激光焦點未作用之前，沿制孔方向某截面的材料與激光離焦作用去除不徹底;當激光焦點再次在較短時間內作用時，受型面加工角度等因素影響，焦點去除量被打折扣，因而有形成圓柱或正錐的趨勢;隨著單層進給量逐漸增大或單層作用時間短時，達到材料去除量與焦點進給距離相匹配，作用區域內激光焦點均能適時作用于材料表面， 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，隨著激光功率增加，能量輸入增加，單位時間內材料去除量增加，顯然材料去除效率增加;同樣的，單層進給量與單層掃描時間決定了激光與材料焦點作用關系，直接影響了材料的去除效率。 當單層進給量大或單層時間較小時， 材料去除量與焦點位置相匹配，材料去除效率高。

　　(3)冶金質量

　　以重熔層、熱影響區及微裂紋評價激光加工的冶金質量， 隨著功率增大及單層作用時間增長，單晶材料的重熔層厚度呈現增大趨勢。 分析可知，當激光在材料作用區域停留時間延長時，單位區域受熱影響出現熔融的幾率增大，因而出現重熔層厚度增大等結果;相反的，當單層進給量增大時，激光在作用區的停留時間減小，在一定程度上減小了重熔層出現的幾率。

　　3 氣膜孔制孔參數優選

　　根據正交試驗結果，從微孔孔型來看，按照比值越大越有利的原則進行優選，最佳參數為 A2B2C3;從效率上，按照時間越短，效率越高的原則，最佳參數應該為 A3B1C3;從冶金質量方面，優選方案應該重熔層越小越好，表中有多組參數滿足。

　　由于質量特性不一致，以上三個方案不完全相同，可能出現對孔型有利的方案而對冶金質量不利的情況，因此需要采用解決多指標試驗問題的綜合平衡法來進行評估。 三種最優方案中，對單層作用時間 B 來說，孔型是最大影響因子，直接選取最大值 B2，其余兩項指標均是次要影響因素，單層作用時間以 B2 為最優;同樣的，對單層進給量而言，C 因素對三項指標均是影響最不明顯指標，但結果均以 C3 為最優水平。 因此，首先確定 B2C3 為優選方案。

　　對于功率 A 來說，效率和冶金質量影響的極差最大，說明功率是最明顯因子，而最優水平卻是兩個不同的結果，本部分由于效率計算值僅以試片打穿時間為依據，未考慮微孔指標的其他條件，按照氣膜孔加工質量優先的要求，功率 A 對效率的影響可以弱化，且 A3 水平下的冶金質量相對較差，水平 A1、A2 條件下的孔型相差不是很大，因此可以將 A1、 A2 作為可供優選條件。

　　至此，通過正交實驗結果分析，選出兩套可供選擇的參數， 繼而以此設計單因素試驗進行驗證、排除，具體試驗參數見表 4。

　　從試驗結果可看出， 功率 A 在 A1 與 A2 之間，孔型由正錐向倒錐發展，孔穿時間逐漸縮短，同時功率在 A2 條件下，孔壁也無重熔層存在，因此確定 A2B2C3 為本試驗條件下的最佳制孔方案。

　　優選后的激光制孔參數在功率 15 W、 單層進給時間 600 ms、單層進給量 0.04 mm 條件下制孔結果見圖 2。 從金相結果可知，該參數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、熱影響區等缺陷。

　　同時，對優選后的激光制孔參數進行掃描電鏡與能譜拍攝，得到的結果見圖 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生變化， 主要合金元素成分未發生變化，說明孔壁在飛秒激光加工過程中未受熱影響，再次印證了優選參數的可靠性。

　　4 結論

　　通過正交試驗研究了飛秒激光制孔參數激光功率、單層作用時間及進給量對 DD6 鎳基高溫合金孔型、效率、冶金質量的影響規律，得出以下結論：

　　(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，微孔孔型呈現從正錐到倒錐再到正錐的規律，且重熔層出現的幾率及厚度也相應增加。

　　(2) 當單層作用時間越小或單層進給量越大，材料與激光焦點作用越占據優勢越容易形成倒錐，且激光制孔效率越高、重熔層厚度越小。

　　(3)在功率為 15 W、單層進給時間 600 ms、單層進給量為 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等缺陷。