納秒脈沖激光制孔孔壁熱應力數值模擬研究

張修瑞 ，李懷學 ，黃 銳

（1.中航工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092；2.中航工業北京航空制造工程研究所，北京 100024；3.高能束流加工技術重點實驗室，北京 100024）

航空發動機及其周圍構件由于工作溫度高，通常需要群孔冷卻作用，以提高航空零部件的工作溫度和服役壽命。與毫秒脈沖激光制孔相比，納秒脈沖激光作為制孔熱源具有制孔熱影響區小、變形小、適用性廣等特點，非常適合用于航空工業中加工高溫合金。納秒脈沖激光制孔是通過納秒脈沖激光與高溫合金等材料相互作用，使材料瞬間熔化及氣化，產生蒸發以及熔體流動，獲得所需的冷卻孔的直徑和深度[1-2]。

納秒脈沖激光制孔過程中，孔壁若殘留一部分再鑄層，且再鑄層內易產生微裂紋。再鑄層上的微裂紋會降低航空構件的服役壽命。孔壁微裂紋產生與孔壁熱應力、再鑄層厚度及內應力特征密切相關。目前，國內外關于納秒脈沖激光制孔的試驗研究報道較多，曾開展了不同合金納秒脈沖激光制孔的試驗研究[3-8]，揭示了納秒脈沖激光的制孔機制以及工藝參數對納秒脈沖激光制孔的影響等[9-13]。但是，關于脈沖激光制孔過程熱應力的數值模擬方面研究鮮見報道。

納秒脈沖激光制孔的過程熔池小而深、時間短、物理機制復雜，難以直接準確獲得孔壁熱應力的演變特征。為了更好地揭示納秒脈沖激光制孔的孔壁熱應力，本文擬采用數值模擬的方法研究納秒脈沖激光制孔的孔壁熱應力，通過建立納秒脈沖激光制孔的數學模型，采用有限元模擬分析納秒脈沖激光制孔中的孔壁溫度場和應力場，根據納秒脈沖激光沖擊制孔試驗，驗證模擬計算結果。……