鎳基單晶高溫合金水導激光鉆孔工藝特性研究

梁金盛 ,喬紅超 ,曹治赫 ,張旖諾,趙吉賓 ,于永飛,4

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

1 引 言

隨著航空、航天技術的快速發展,對飛機性能提出了更高要求,發動機作為飛機的動力來源,對提升飛機性能起著核心作用。高性能發動機應滿足高推重比、低耗油率等需求[1]。高推重比的實現需要結構材料擁有優異的高溫力學性能。鎳基單晶高溫合金因在高溫下擁有強度高、耐腐蝕性好及出色的抗蠕變疲勞特性,使其在渦輪發動機的熱端部件中發揮重要作用[2]。然而,單純依靠材料特性依然難以抵御高溫燃氣對結構材料的損傷,為了提高發動機結構件使用壽命,需要在結構材料上加工出氣膜冷卻孔,從而將低溫氣體通過氣膜孔輸送到材料表面形成冷卻氣膜從而隔離高溫燃氣[3]。

鎳基單晶高溫合金因具有高比強度、低密度及高剛度,屬于典型難加工材料,其在微孔加工過程中容易出現進出口缺陷、孔壁不完整、尺寸精度低等問題[4]。因此如何在鎳基單晶高溫合金上高效高質量地加工出微孔一直是學者們密切關注的問題。Gong等[5]用螺旋微電極對鎳基單晶高溫合金DD5作電火花鉆孔實驗,揭示了螺旋微電極相比圓柱電極加工效率提高了30.94 %,但孔壁面仍存在較厚的重鑄層及微裂紋。Zhang等[6]結合電火花和電化學腐蝕技術在鎳基單晶高溫合金DD6上加工微孔,獲得了無重鑄層的微孔,但其尺寸精度難以控制。Yin等[7]研究了飛秒激光的激光參數對鎳基單晶高溫合金DD6螺旋鉆孔的影響,獲得了無明顯重鑄層,質量及精度較好的微孔。但對于復雜氣膜孔的加工,會增加設備的復雜性,且難以兼顧加工效率[8]。

水導激光加工(Water-Jet Guided Laser Processing,WJGLP)技術是一項先進的加工技術,利用激光在水中的全反射原理,實現激光通過水射流傳播至工件表面,從而對材料進行加工。具有加工表面損傷小、重鑄層小、精度高、作用距離長等優點,使其在難加工材料的精細加工上有優異的表現[9]。張旖諾等[10]對碳纖維增強復合材料的水導激光切削機理建模仿真與實驗驗證,仿真結果揭示了加工過程激光能量的分布及水束對激光能量分布的影響；實驗結果與仿真結果擬合良好,加工材料表面的纖維分層、拉出、熱影響區等問題有了顯著改善。Marimuthu等[11]通過實驗與仿真研究了水導激光加工技術在帶熱障涂層鎳基高溫合金上加工不同角度斜孔的特性,產生的斜孔沒有任何涂層分層或重鑄層,壁面粗糙度低,加工過程相比短或超短脈沖激光要快得多。Heilmann等[12]通過控制水導激光加工參數對高溫超導體加工特性分析,確定了一個加工優化參數集,降低了高溫超導體加工過程產生的磁滯損耗,加工精度得到提高。

目前關于鎳基單晶高溫合金微孔加工的研究大多是基于機械加工、傳統激光、電火花等工藝,而關于鎳基單晶高溫合金應用水導激光技術加工微孔方面的研究較少,限制了水導激光加工技術在加工氣膜孔等方面的應用。為此,本研究旨在探討水導激光對鎳基單晶高溫合金微孔加工的材料去除機理,探究不同激光功率、掃描速度對鎳基單晶高溫合金CMSX-4微孔加工效率及加工質量的影響規律及規律形成機理,為后續采用水導激光加工技術加工氣膜孔提供一定的理論指導。

2 實驗材料與方法

2.1 試 樣

本文采用中國航發集團提供的CMSX-4鎳基單晶高溫合金,其合金化學成分詳見表 1,其在SEM的加速電壓為20 kV、放大系數為10 k倍下的微觀結構如圖1所示。通過線切割獲得規格大小為44 mm×14 mm,厚度為1.7 mm的試樣。

表1 CMSX-4合金的化學成分(質量分數)/ %Tab.1 Chemical composition of CMSX-4 alloy/ %

圖1 CMSX-4合金的微觀形貌Fig.1 Microstructure of CMSX-4 alloy

2.2 實驗設備及原理

本文采用自主研發的水導激光加工設備,包括激光光源、工作臺及高壓水系統。激光光源采用波長為532 nm的Nd∶YAG固體脈沖激光器,輸出光束呈高斯分布；工作臺可移動范圍為200 mm×300 mm×100 mm；高壓水系統輸出直徑為φ100 μm的水束,其在加工過程中具有冷卻材料及帶走殘渣等作用。水導激光束的有效加工距離為5～20 cm,其形成原理如圖2所示,激光束經聚焦透鏡聚焦后,依次經過玻璃窗口和水腔,然后在噴嘴入口處與高壓水束耦合。由全反射原理,激光在水-空氣界面由于入射角i大于全反射臨界角ic,水不發生折射而發生全反射,使激光通過水束光纖傳播到加工材料表面,從而實現材料的去除。

圖2 水導激光形成原理圖Fig.2 Formation principle of water-jet guided laser

2.3 實驗方法

本文主要研究激光功率及掃描速度對CMSX-4合金微孔加工工藝特性的影響。在加工孔徑的選擇上,由參考文獻[3]可知,長徑比小于6的氣膜孔應用廣泛,故本實驗加工的微孔孔徑為φ1 mm(長徑比為1.7)。在加工路徑的選擇上,螺旋鉆孔法具有排屑方便、重鑄層小等優點,在激光加工技術鉆孔中可獲得高質量微孔[13]。但螺旋鉆孔法的材料去除量大,掃描時間長,降低了加工效率。本實驗采用改良的螺旋鉆孔法,其路徑如圖3所示,其中各同心圓環實現材料的去除,螺旋線實現相鄰同心圓間的過渡,水導激光束從坐標(-0.5,0)處開始加工,經過路徑1～7完成一次向內掃描,經過路徑8～13完成一次向外掃描,而后循環直至加工完畢。

圖3 改良的螺旋掃描路徑Fig.3 Improved helical scanning path

通過預實驗確定激光功率及掃描速度,預實驗顯示當激光功率小于30 W時,加工時間過長；大于50 W時,噴頭容易損壞,擬定實驗用激光功率采用30～50 W。當掃描速度小于0.5 mm/s,微孔的進出口出現明顯毛刺；大于2.5 mm/s時,材料無法加工穿透,擬定實驗用掃描速度范圍為1～2 mm/s,具體實驗參數見表 2。材料的加工排列方式見圖4,采用直排的排列方式,方便后續從孔中央位置切開觀察內壁形貌。

圖4 材料加工的排列方式Fig.4 Arrangement of material processing

表2 水導激光微孔加工實驗參數Tab.2 Experimental parameters of water-jet guided laser micro-hole machining

2.4 測量方法

微孔加工完畢后,放入盛有無水乙醇的超聲清洗機中清洗15 min。然后使用美國Bruker公司型號為Contour GT-K的白光干涉儀(White Light Interferometer,WLI)在5倍物鏡下觀察孔的微觀形貌,應用附帶軟件Vision64獲得孔徑、圓度等特征。觀察完畢后,沿圖4虛線方向用水導激光技術切開,其中一半用WLI觀察孔內壁形貌,另一半依次經過試樣鑲嵌(剖面朝上放置),采用240～2000# SiC砂紙對鑲嵌樣品進行逐級打磨,用羊毛氈拋光布和金剛石拋光膏將打磨后表面拋光至無劃痕,用9 %硫酸銅-鹽酸溶液腐蝕10～15 s,對鑲嵌試樣表面作噴金處理后,采用德國蔡司公司型號為Zeiss EVO18的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察加工位置的重鑄層情況。

3 實驗結果與討論

3.1 加工效率分析

將不同激光功率及掃描速度下微孔的加工時間繪制成如圖5所示。

圖5 激光功率及掃描速度對加工時間的影響Fig.5 The influence of processing time by laser power and scanning speed

可以看出加工時間隨著掃描速度呈現先增加后減少的趨勢,在掃描速度為1.5 mm/s時,相比1 mm/s時的平均加工時間增加了179 %；當掃描速度增加到2 mm/s相比1.5 mm/s時的平均加工時間降低了24 %。這是因為在激光功率不變的情況下,作用在材料上的激光能量隨著掃描速度的增加,作用時間縮短,被材料吸收的能量降低,材料去除率降低,加工時間增加；當掃描速度繼續增加,一段時間內相同位置的掃描次數增加,在該位置上的激光總能量增加,材料去除率上升,加工時間降低。在掃描速度不變的情況下,加工時間隨著激光功率的增加而減少,因為激光功率增加,作用在材料上的激光能量增加,材料去除率上升,加工時間縮短。

下面將從傳熱學及能量守恒定律的角度解釋激光功率及掃描速度對材料去除量的影響,揭示上述規律的形成機理。對加工材料選取控制容積如圖6所示。

圖6 控制容積Fig.6 Control volume

對控制容積應用能量守恒定律[14]有:

ΔEst=Ein-Eout

(1)

其中,ΔEst為材料吸收的熱量;Ein為水導激光輸入的能量;Eout為水流對流傳熱釋放的能量,代入各項后有:

ρcV(T-T0)=IΔt-hA(T-T∞)Δt

(2)

其中,ρ為材料密度;c為材料比熱容;V為體積;T為加熱后的材料溫度;T0為材料的初始溫度；I為單位時間內水導激光輸入的能量,正比于激光功率；Δt為單位掃描時間;h為對流傳熱系數;A為水束掃描面積;T∞為流體溫度,假定材料物性為常數且T0=T∞。 式(2)經過變形后有:

(3)

從公式(3)可知,等式左邊為一常數,等式右邊的自變量為I及Δt,因變量為ΔT。當掃描速度不變時,即Δt不變,激光功率與材料的溫度增量成正比,激光功率越大,到達熔點或沸點的材料量增加,單次掃描的材料去除量增加,從而縮短加工時間。當激光功率不變時,即I不變,掃描速度增加,Δt減少,溫度增量減少,到達熔點或沸點的材料量減少,單次掃描的材料去除量減少,加工時間增加。綜上所述,激光功率及掃描速度對加工時間的影響可歸結為:激光功率與掃描速度共同作用下獲得的激光能量對材料去除率的影響。

3.2 尺寸精度分析

采用美國Bruker公司型號為Contour GT-K的WLI在5倍物鏡下測量各微孔進出口的二維形貌,通過其配套軟件Vision64的直徑擬合功能測量出各微孔進出口的孔徑,然后通過水導激光加工技術沿圖4中的虛線將材料切開,通過WLI獲得微孔的三維形貌。將進出口孔徑測量數據繪制成如圖7所示,微孔進出口的二維及三維形貌如圖8所示。

圖7 不同激光功率及掃描速度對微孔進出口孔徑的影響Fig.7 The influence of diameter by different laser power and scanning speed

圖8 WJGLP微孔二維及三維形貌Fig.8 Two-dimensional and three-dimensional morphology of micro-hole by WJGLP

定義理想加工孔徑大小為理想孔徑大小(1 mm)與水束直徑大小(0.1 mm)之和,實際加工孔徑大小與理想加工孔徑大小之差大于0的量為擴孔量,小于0的量為縮孔量。從圖7可以看到,入口處的擴孔量范圍在13～63 μm,在激光功率為50 W,掃描速度為1.5 mm/s及激光功率為30 W,掃描速度為2 mm/s時分別獲得實驗參數范圍下的擴孔量極小值和極大值；出口處的縮孔量范圍在0～104 μm,在激光功率為50 W,掃描速度為1 mm/s及激光功率為30 W,掃描速度為2 mm/s時分別獲得實驗參數范圍下的縮孔量極小值和極大值。

在激光功率為30 W時,入口擴孔量隨掃描速度的增加而增加；當激光功率增加為40 W及50 W時,入口擴孔量隨著掃描速度的增加而先減小后增加。分析原因是當激光功率為30 W且掃描速度為1 mm/s時,限制于水束范圍內的激光能量接近加工閾值,材料在單次掃描下實現材料的去除,擴孔量較小；隨著掃描速度的增加,激光能量降低,激光能量小于加工閾值,單次掃描不能實現材料的去除,相當于對材料進行了預熱,在多次掃描后,到達加工閾值的材料面積增加,使擴孔量增大。當激光功率為40 W或50 W且掃描速度為1 mm/s時,限制于水束范圍內的激光能量超過加工閾值,使水射流周圍的材料也被部分去除,擴孔量增大；隨著掃描速度增加為1.5 mm/s,激光能量降低到接近加工閾值,水射流周圍被多余去除的材料減少,擴孔量降低；隨著掃描速度繼續增加,情況與激光功率為30 W時所描述的相似。出口處的縮孔量在激光功率不變的情況下,隨掃描速度的增加而增加,主要原因是激光能量在出口處低于入口處,隨著掃描速度的增加,激光能量更低,難以到達加工閾值,加工出來的孔徑也越小。

在掃描速度不變的情況下,入口的擴孔量及出口的縮孔量均隨激光功率的增大而減少。原因是入口處的激光功率增大,傳輸到工件表面的激光能量增大,相同位置的材料在較少次數的掃描下即可實現材料的去除,降低了材料的預熱范圍,從而減少了能達到加工閾值的材料面積,使入口擴孔量減小；出口處的激光功率越大,材料去除能力越強,加工出來的孔徑也越大,從而縮孔量減少。

從圖8中可以看出,微孔入口圓度小,出口存在毛刺,加工壁面光潔無裂紋,存在一定錐度。

3.3 形狀精度分析

3.3.1 圓度

通過上文提及的Vision64軟件的圓度擬合功能測量出各微孔進出口的圓度,將測得數據繪制成如圖9所示。

圖9 不同激光功率及掃描速度對微孔進出口圓度的影響Fig.9 The influence of roundness by different laser power and scanning speed

從圖9中可以看到,入口處的微孔圓度均小于出口圓度,入口處各孔的平均孔圓度為51.2 μm,出口處平均孔圓度為121.3 μm。這是由于一方面隨著加工深度的增大,水導激光輸出的激光能量下降,單次掃描的材料去除率下降,需要多次掃描以實現單位深度材料的去除,這導致激光能量分布不均勻,使圓度增加；另一方面加工過程的內壁形貌影響水束傳播,進而影響激光傳輸到加工表面,使同一深度下不同位置的材料去除不均勻,并經過加工過程的不斷積累,使圓度增加。

在激光功率為30 W時,入口處的孔圓度隨掃描速度的增加而增加；當激光功率增加到40 W時,入口處的孔圓度隨掃描速度的增加而先減少后增加；當激光功率增加到50 W時,入口處的孔圓度隨掃描速度的增加而減少。這主要是由于在激光功率為50 W且掃描速度為1 mm/s時,激光能量大于加工閾值,使水射流周圍的材料因對熱量吸收的不均勻而導致材料去除的不均勻,從而增加孔圓度,隨著掃描速度的增加,激光能量降低,水射流周圍被去除的材料減少,圓度降低；當激光功率為40 W時,隨著掃描速度增加到1.5 mm/s,此時激光能量均勻分布在水束中,孔圓度有極小值,當掃描速度繼續增加為2 mm/s,此時激光能量小于加工閾值,需要多次掃描才能實現材料的去除,多次掃描會導致能量分布的不均勻性增加,使加工出來的孔圓度增加；當激光功率為30 W時,激光能量進一步減少,圓度進一步增加。出口處孔圓度隨掃描速度的增加而增加,隨激光功率的增加而先減少后增加。在激光功率為40 W時相比30 W及50 W有更小的孔圓度是由于40 W時的激光能量均勻分布在水束內,且激光能量接近加工閾值。

3.3.2 錐 度

通過測量獲得的進出口孔徑根據公式(4)計算得到各孔錐度:

C=180°×(Rin-Rout)/(π×h)

(4)

其中,C為錐度;Rin為入口孔半徑;Rout為出口孔半徑。 將計算獲得的錐度值繪制成如圖10所示。

圖10 不同激光功率及掃描速度下WJGLP的微孔錐度值Fig.10 Taper of micro-holes with different laser power and scanning speed by WJGLP

從圖10可以看出,微孔錐度范圍為0.3°～2.8°,當激光功率為50 W,掃描速度為1 mm/s時可獲得實驗參數范圍下的最小孔錐度0.3°；當激光功率為30 W,掃描速度為2 mm/s時有實驗參數范圍下的最大孔錐度2.8°。在激光功率不變時,孔錐度隨掃描速度的增加而增加；在掃描速度不變的情況下,孔錐度隨激光功率的增大而減少。這是由于掃描速度增加或激光功率的降低,作用于材料上的激光能量降低,一旦低于加工閾值,材料難以被去除,使錐度增加。作用于斜面上的能量可由公式(5)[15]得出:

pslope=P·sinα/S

(5)

式中,P為激光能量;α為錐度;S為作用面積。可以將pslope看作是加工閾值(常值),則激光能量與錐度成反比,激光能量越大,孔錐度越小。

3.4 重鑄層分析

重鑄層是熔融材料未能及時排出,附著在壁面上重新凝固的一層物質。本文采用德國蔡司公司型號為Zeiss EVO18的SEM觀察孔壁面微觀組織,圖11顯示了各微孔重鑄層的測量位置及放大1萬倍后的微觀組織情況,各微孔的重鑄層平均厚度測量結果如圖12所示。

圖11 SEM觀察位置及其重鑄層情況Fig.11 Observation position and recast layer of micro holes of SEM

圖12 激光功率及掃描速度對重鑄層厚度的影響Fig.12 The influence of thickness of recast layer by laser power and scanning speed

從圖12中可以看到在激光功率為30 W時,重鑄層厚度隨掃描速度的增加先大幅增加,然后大幅減小；隨著激光功率增加為40 W和50 W時,重鑄層厚度隨掃描速度的增加而先快速增加而后平緩增加。這是由于在激光功率為30 W時,隨著掃描速度的增加為1.5 mm/s,作用于材料上的激光能量減少,處于固熔態的材料未能達到被水射流沖刷帶離的狀態,經過冷卻后形成較厚的重鑄層；而隨著掃描速度增加為2 mm/s時,單位時間內的掃描次數增加,一段時間內作用于材料的激光總能量增加,材料去除率增加,產生的重鑄層厚度降低。在速度不變的情況下,重鑄層厚度隨著激光功率的增大而減少,這是由于激光功率增大使作用于材料上的激光能量增加,材料能快速到達熔化或汽化狀態,然后被水射流帶離,從而降低重鑄層厚度。重鑄層的厚度范圍在0.30～1.93 μm。在功率為50 W,掃描速度為1 mm/s時,獲得實驗范圍下的重鑄層厚度的極小值為0.30 μm；在功率為30 W,掃描速度為1.5 mm/s時獲得實驗范圍下的重鑄層厚度的極大值為1.93 μm。這說明即使在高激光功率下,水導激光加工技術仍能獲得極小的熱損傷,使高效率低損傷的加工方式成為可能。

4 結 論

(1)在不同激光功率及掃描速度的水導激光微孔加工實驗中,激光功率及掃描速率對微孔加工效率的影響可歸一化為激光能量對材料去除率的影響,一段時間內作用于同一位置的激光總能量越大,材料去除率越高,加工效率越高。實驗結果表明,在激光功率為50 W及掃描速度為1 mm/s時,在實驗參數范圍下,作用于材料上的激光能量有最大值,加工時間最短

(2)微孔加工質量主要是由于不同激光功率與掃描速度的組合下水束中激光能量的強度及激光能量在材料表面上的分布的不同所致。當激光能量強度過大,能量在材料表面上的分布超出水束直徑范圍,使得過量材料被去除,加工質量下降；當激光能量強度過少,能量分布范圍小于水束直徑范圍,材料需經過多次掃描而實現去除,導致材料去除不均勻,加工質量下降；當激光能量強度適中,能量分布恰好控制在水束直徑范圍下,加工質量最少。

(3)微孔壁面的重鑄層厚度大小受不同激光功率及掃描速度的組合所產生的激光總能量的影響,激光總能量越大,材料越能被快速去除,降低了熔融材料重新凝固過程發生的可能性,從而降低了重鑄層厚度。實驗表明,當激光功率為50 W及掃描速度為1 mm/s時,在實驗參數范圍下由最大激光能量,重鑄層厚度最小為0.3 μm。