飞秒激光微孔迎来新突破

导读

航空发动机是航天器的动力来源，对于提升其性能起着决定性作用，高性能发动机必须具备高推重比、低耗油率等特点。随着航空发动机工作温度的提高，镍基合金以其出色的耐高温腐蚀性、抗氧化性、抗蠕变性和强度也成为航空发动机涡轮叶片的首选材料。然而，仅依赖材料特性仍难以完全抵御高温燃气对结构材料的损害，还需要在其表面加工出气膜孔，利用气膜孔冷却降低其表面温度，提高发动机喷气速度和使用寿命。目前，在航空发动机涡轮叶片气膜孔的加工制造中，大多仍然基于机械加工、电火花加工和电液束加工等传统的加工方式，然而，这些传统工艺存在一些不足和缺陷。激光加工威廉希尔官方网站 利用激光束短时高能量的特性，使其与材料相互作用达到加工的目的，具有高效、高质、可控、无污染的特性。且随着激光加工威廉希尔官方网站 的发展，皮秒、飞秒等超快激光凭借超短的脉宽，越来越适用于耐高温材料的微孔加工。

图1 航空发动机涡轮叶片结构示意图

图2叶片气膜孔冷却示意图

研究背景

激光加工大深径比微孔时，孔型的锥度调控一直是国内外研究学者所关注的核心问题。这是因为激光的能量呈高斯分布，激光光斑中间能量大，四周能量小，在加工微孔时，孔中心材料去除速度远远大于周围材料去除速度，因此形成一定的锥度，随着孔深的增加，大量的激光能量被孔壁反射，材料无法去除，微孔的锥度持续增大直到达到饱和状态。因此，国内外众多研究机构和学者对气膜孔孔型锥度控制进行了深入的分析和研究，最终得出结论，采用工艺参数优化和多步法钻孔的激光钻孔方法可以有效降低微孔的锥度，但不能实现任意锥度的微孔加工，为了得到任意锥度的微孔形貌，需要改变激光光轴与材料的相对角度，使激光能量直接作用到微孔侧壁，从而进一步改善锥度。目前倾斜激光入射的加工方法主要有两种，即倾斜工件加工和倾斜光束加工。针对镍基高温合金材料微孔加工，采用光束与工件倾斜一定角度旋转的方法可以进行良好的锥度调控，但激光参数仍然会对孔的形貌产生影响。

图3 倾斜工件旋转钻孔示意图

图4 倾斜激光旋转钻孔示意图

主要内容

为了全面彻底地解决微孔加工中的锥度问题，本文基于倾斜工件旋转钻孔的工艺方法，首先探究了飞秒激光离焦量与微孔形貌的对应关系。发现随着激光焦点从工件表面下方逐渐移动到上方时，微孔的锥度由-0.32°增大到3.41°，微孔的出口孔径显著降低。产生这种现象的原因是当离焦量为负时，激光焦点靠近出口位置，激光峰值功率高，材料去除率也高，因此出口孔径较大。随着激光焦点的不断上移，出口处的激光能量逐渐降低，导致出口孔径快速减小，孔的锥度也快速增大，同时，由于激光焦点在工件表面之上，激光处于发散状态，导致微孔出口的边缘轮廓质量下降，出现锯齿状形貌，影响了出口圆度。

图5 不同离焦量下微孔加工结果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直径；(d)锥度

接着探究了飞秒激光重复频率与微孔形貌的对应关系。从实验结果可以看出，当激光重复频率从10 kHZ增大到100 kHZ后，微孔的入口直径在一定范围内波动，变化不大，但微孔的出口直径逐渐增大直到达到饱和。这是因为当重复频率较低时，激光的脉冲重叠率较低，相同加工时间内单位面积上材料吸收的激光能量较低，导致出口直径较小。随着重复频率的增加，激光的平均功率和脉冲重叠率增加，材料吸收的激光能量增大，微孔出口直径显著增大，从而导致孔的整体锥度降低。当重复频率为10 kHz时，微孔的出口圆度最好，基本没有锯齿形结构和烧蚀痕迹。随着重复频率的增加，微孔的出入口都出现了不同程度的重铸层和激光热影响区，这是因为当单脉冲能量不变时，重复频率的增加使激光的脉冲重叠率增加，单位时间内脉冲数量的增加，材料的烧蚀阈值降低，导致热积累现象更加显著。

图6 不同重复频率下微孔加工结果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直径；(d)锥度

之后探究了飞秒激光扫描半径与微孔形貌的对应关系。发现随着扫描半径的不断增大，孔出入口直径也不断增大，这是由于工件倾斜加工，激光扫描平面与工件加工平面存在夹角，设置的扫描半径投影到加工平面上会进一步增大，激光扫描半径与孔的出入口直径大约成线性相关，比例系数与机床A轴偏摆角度有关。不同的扫描半径对孔锥度的影响不大，该实验证明了通过改变激光扫描半径能实现任意孔径的无锥度微孔加工。

图7 不同扫描半径下微孔加工结果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直径；(d)锥度

然后探究了飞秒激光光轴偏移量与微孔形貌的对应关系。可以发现，当激光光轴与工件旋转中心偏置量在10 mm以内时，孔的出入口直径几乎不变，当偏置量大于10 mm且不断增大时，孔的入口直径显著增大，出口直径也有所增加，这是由于工件做旋转运动，激光与工件旋转轴偏置量的增加导致激光在工件上的加工区域增加，入口处材料被大面积去除，而激光扫描面积的增加也导致了激光功率的分散，被激光反复扫描的中心区域能量集中，激光只扫描一遍的四周区域激光能量无法去除更多材料，从而导致孔锥度的不断增大。因此，在进行飞秒激光镍基合金单孔加工实验中，需要控制激光光轴与工件旋转中心偏置量在10 mm以下，才能实现无锥度孔加工。

图8 不同X轴移动量下微孔加工结果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直径；(d)锥度

最后，针对6 mm镍基合金的深微孔加工，在前期工艺参数探究的基础上，采用激光纵向进给的加工工艺，通过改变激光焦点位置来调整激光能量分布，使激光能量集中部分能直接作用到材料待加工位置，使激光钻孔深度和加工效率显著提高。同时在实验过程中采用旁轴吹气装置，引入吹气辅助工艺。在激光对工件材料进行烧蚀打孔的过程中，旁轴吹气装置将空气压缩并通过喷嘴喷在工件上的待加工微孔位置处。从而将激光打孔过程中的废屑吹出，改善排屑条件，提高激光的加工效率，有利于深孔加工。同时室温的压缩空气持续流动，也可以降低待加工微孔的加工温度，减小激光的热影响，提高微孔的加工质量，最终实现了6 mm厚镍基合金材料的无锥度高质量单孔加工。

图9 吹气辅助加工图。(a)示意图；(b)实物图

图10 6 mm通孔加工结果。(a)入口；(b)出口；(c)孔形貌CT图

结论与展望

文中针对镍基合金材料深微孔加工的锥度问题，基于倾斜工件旋转钻孔的激光加工工艺，首先阐述了加工方法和实验原理，然后在镍基合金材料上开展了无锥度单孔加工实验，采用控制变量法探究了不同激光参数对微孔形貌的影响规律。

当激光离焦量由正离焦逐渐变化到负离焦时，微孔的入口直径基本不变，出口直径明显增大。当激光重复频率较小时，微孔的出口直径较小，锥度较大，但较大的重复频率会使激光的热效应增加，影响微孔形貌质量。倾斜工件旋转加工通孔时的孔径大小主要取决于激光振镜扫描填充圆的直径。随着扫描半径的不断增大，孔出入口直径也不断增大，但孔的锥度基本不变。激光与工件旋转轴的偏置量越大，得到孔的出入口直径也会越大，但是同时孔的锥度也在变大。

针对6 mm镍基合金直微孔加工，采用激光纵向进给的加工工艺，该方案主要分为钻孔、扩孔、修孔三个过程。同时要采用吹气辅助的工艺方案，提高加工效率和加工能力，选择合适的倾斜角度后，成功在6 mm厚的镍基合金材料上加工出了锥度为0.14°的大深径比微孔。