隨著航空發(fā)動機性能的不斷提升，燃燒室的工作溫度也越來越高。為提升航空發(fā)動機渦輪葉片在高溫條件下的工作性能，通常在葉片表面制取氣膜孔，氣膜孔的加工質(zhì)量對其承載能力和使用壽命的影響至關(guān)重要。激光加工技術(shù)是目前制備氣膜孔的主要方法之一，所采用的激光光源主要分為長脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。長脈沖激光和短脈沖激光制孔過程中會產(chǎn)生微裂紋和重鑄層，超短脈沖激光對材料幾乎沒有熱損傷，但是對加工設備和工作環(huán)境要求較高，且加工效率不高。因此，為滿足高質(zhì)量氣膜孔的加工需求，提出水導激光加工方法，自行搭建了一套水導激光加工系統(tǒng)，并進行DD6合金制孔試驗。試驗成功制取了400μm直徑的直孔和45°斜孔，加工出的氣膜孔幾乎無重鑄層和微裂紋，不存在熱影響區(qū)，為氣膜孔加工提供了一種有效的技術(shù)參考。
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序言
隨著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，高推重比和低油耗成為航空發(fā)動機的主要發(fā)展趨勢，因此渦輪葉片的工作環(huán)境愈加惡劣，這對渦輪葉片的設計制造水平和工作性能提出了更高的要求[1]。目前，渦輪葉片主要采用鎳基單晶高溫合金進行制造，并在其表面制取氣膜孔來滿足耐高溫需求[2]。研究表明，氣膜冷卻技術(shù)在提高渦輪葉片工作溫度中起的作用占60%～70%。因此制取高質(zhì)量的氣膜孔對提高航空發(fā)動機的承載能力和使用壽命至關(guān)重要。
激光加工技術(shù)是制備航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的主要加工方法之一，國內(nèi)外學者針對氣膜孔的激光加工開展了大量研究[3]。早期激光加工氣膜孔的激光光源多采用毫秒（ms）激光，張志金等[4]利用毫秒激光在DD6合金表面制取氣膜孔，獲得的氣膜孔存在重鑄層和微裂紋等熱缺陷，且表面粗糙度較差。隨著超短脈沖激光的出現(xiàn)，利用超短脈沖激光加工氣膜孔已被廣泛研究。張瑞峰等[5]采用皮秒激光在鎳基單晶合金表面加工氣膜孔，得到的孔壁無重鑄層和熱影響區(qū)，但由于等離子體的沖擊作用，在孔壁和表面引起了輕微開裂。飛秒激光因其極短的脈沖時間和極高的峰值功率在材料加工方面具有很大的優(yōu)勢，SEE等[6]在鎳基合金試件上進行了飛秒激光制孔試驗，定量研究了能量參數(shù)（飛秒激光脈寬、激光波長及重復頻率）與微小孔的直徑和深度之間的關(guān)系，加工出的孔無重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)。但飛秒激光對設備和環(huán)境的要求較高，并且加工效率較低。
針對上述問題，本文提出了水導激光加工技術(shù)，水導激光加工技術(shù)是利用激光在水束中發(fā)生全反射的原理，利用水作為光纖將激光導引到工件的表面進行加工[7]。由于高速射流的沖刷冷卻作用，水導激光對加工導致的熱損傷抑制效果顯著，加工出的孔具有較高的加工質(zhì)量、極低的熱影響區(qū)和極小的重鑄層[8，9]。同時，水導激光多采用納秒激光作為激光的光源，加工效率較高。因此，本文利用水導激光加工技術(shù)進行航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的加工，與使用常規(guī)激光加工手段得到的質(zhì)量進行對比，確立了水導激光的加工優(yōu)勢。探索了不同功率對加工質(zhì)量的影響，成功制取了直孔和45°斜孔，為氣膜孔加工領域提供了一種新型解決方案。
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試驗分析
2.1 材料分析
本文研究的最終目標為在航空發(fā)動機渦輪葉片上制取高質(zhì)量的氣膜孔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。渦輪葉片常采用鎳基單晶高溫合金澆鑄而成，該類合金強度高、硬度大，具有優(yōu)異的耐高溫、耐蝕性能。試驗采用牌號為DD6的鎳基高溫單晶合金為研究對象，規(guī)格為20mm×20mm×2.6mm，材料的化學成分和物理性能見表1和表2。
圖1 渦輪葉片結(jié)構(gòu)
表1 鎳基單晶合金DD6的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）
表2 鎳基單晶合金DD6的物理性能
試驗前需將試件用無水乙醇清洗干凈，表面無污漬后放入超聲清洗儀中，溫度設置為50℃，頻率為40kHz，超聲清洗15min后吹干。試驗后，為了便于觀察激光對試樣表面的燒蝕程度，對試樣的表面進行打磨拋光處理。
2.2 制孔特征
激光制孔試驗采用環(huán)切制孔方式，即通過控制XY 工作平臺控制工件的運動軌跡為一系列的同心圓。加工過程如圖2所示，氣膜孔的質(zhì)量要求見表3。
圖2 環(huán)切制孔方式加工過程示意
表3 氣膜孔的質(zhì)量要求 （單位：μm）
2.3 試驗設備
本文所采用加工系統(tǒng)的光源是蘇州英谷生產(chǎn)的Pulse 532-50-LP型激光器，表4展示了該激光器相關(guān)參數(shù)。試驗涉及到的噴嘴包含60μm、80μm和100μm（直徑）3種規(guī)格。噴嘴中心的聚焦光斑直徑約為30μm，滿足耦合要求。
表4 激光器參數(shù)
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水導激光加工方法
3.1 水導激光作用原理
光線從水射向空氣時，若入射角度大于一定值，光線會在水-空氣界面處發(fā)生全反射，隨射流傳輸。水導激光加工技術(shù)的工作原理如圖3所示[10]。聚焦后的激光經(jīng)過玻璃窗口和水層匯聚在噴嘴上表面，與噴嘴處射出的高壓射流耦合形成耦合能束。激光能量不是直接聚焦于工件表面，而是通過毛細層流中的水射流傳輸?shù)焦ぜ砻?。一旦穩(wěn)定范圍內(nèi)的水射流與工件發(fā)生碰撞，水射流引導的激光能量就被材料表面吸收，使燒蝕區(qū)域的材料熔化、蒸發(fā)。與此同時，高速射流帶走了熔融材料、多余熱量及殘渣，對加工區(qū)域進行有效地沖刷冷卻[11]。
圖3 水導激光加工技術(shù)工作原理
3.2 水導激光加工系統(tǒng)
水導激光加工系統(tǒng)主要包括4部分，分別為耦合系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。核心部分是耦合系統(tǒng)，用于產(chǎn)生微細水射流，將激光耦合進水束并對耦合狀態(tài)進行實時觀測調(diào)整。光路傳輸系統(tǒng)包括激光器及準直擴束器等調(diào)整鏡組，用于將激光器產(chǎn)生的光束整形為耦合可用的光束。供水系統(tǒng)提供高壓微細水射流，運動控制系統(tǒng)用于控制機床的運動狀態(tài)。水導激光加工系統(tǒng)原理和實際搭建如圖4、圖5所示。
圖4 水導激光加工系統(tǒng)原理
1—激光器 2—快門 3—擴束器 4、5—反射鏡
6—可見光光源 7—CCD相機 8、10—薄膜分束器 9—衰減器
11—聚焦物鏡 12—耦合裝置 13—高壓水入口
14—水導激光耦合能束 15—DD6合金
圖5 實際搭建的水導激光加工系統(tǒng)
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水導激光與其他加工手段的效果對比
為確立水導激光的加工優(yōu)勢，分別采用微秒脈沖激光、飛秒激光和水導激光對DD6合金進行制孔加工，將得到的孔表面形貌進行對比，結(jié)果如圖6所示。
a）微秒激光 b）飛秒激光 c）水導激光
圖6 不同激光加工手段制取的孔表面形貌
由圖6a可知，微秒激光加工得到的孔表面存在顯著的熱影響區(qū)，孔緣連續(xù)性較差，且存在明顯的熔融材料沉積。這是由于微秒激光的脈寬和功率較大，脈沖結(jié)束后材料得不到充分的冷卻，熱量繼續(xù)向材料內(nèi)部傳遞，導致出現(xiàn)大范圍的熱影響區(qū)；蝕除后的材料不能及時有效排出，沉積在材料表面形成液滴狀熔融沉積物。飛秒激光加工得到的孔表面幾乎沒有熱影響區(qū)、材料熔融再沉積等加工損傷，這是因為飛秒激光的脈沖寬度時間比熱量在晶格之間傳輸?shù)臅r間更短，使得飛秒激光加工為近似的“冷加工”過程，從而可以得到更高質(zhì)量的孔。但由于激光能量的高斯分布，飛秒激光制孔的錐度難以得到控制，且加工得到的孔圓度較差，加工效率低，因此難以滿足大批量孔的加工。相比之下，水導激光在加工過程中水流及時將熔融物帶走，克服了傳統(tǒng)微秒激光加工過程中金屬熔融物飛濺的問題，同時射流有效地沖刷冷卻加工壁面，能夠極大地提高表面質(zhì)量，減少熱影響區(qū)。水導激光加工過程中，耦合能束截面能量分布均勻，使得加工過程中材料表面受熱均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)較長距離內(nèi)垂直加工，孔的圓度和錐度也得到良好的控制。不僅如此，水導激光采用納秒激光器，可以實現(xiàn)高功率的能量輸出，與飛秒激光相比極大地提升了制孔效率。綜上所述，相對于微秒脈沖激光和飛秒激光，水導激光在DD6合金制孔領域具有顯著的加工優(yōu)勢。
05
直孔加工
采用直徑60μm的噴嘴，設置射流壓力為15MPa，掃描速度1mm/s，平均功率分別為50W和40W，在DD6高溫合金上制取直徑400μm的孔。對孔的表面形貌進行表征，結(jié)果如圖7所示。
a）50W，上表面 b）50W，下表面
c）40W，上表面 d）40W，下表面
e）40W，截面
圖7 不同平均功率下加工得到的孔形貌特征
加工結(jié)果顯示，不同平均功率下加工DD6得到的孔表面幾乎都無熔渣飛濺，孔的入口邊緣整齊，圓度較高，熱影響區(qū)極小。但對比不同功率水平下得到的出、入口形貌發(fā)現(xiàn)，50W功率下加工得到的孔表面存在少量的熔融金屬沉積，出口附近存在少量崩碎和材料重鑄現(xiàn)象；而40W平均功率下加工得到的孔出、入口表面圓度更高，無重鑄層和熱影響區(qū)，僅入口表面存在少量的材料沉積。分析該現(xiàn)象形成的原因，認為在相同的工作頻率和脈沖寬度條件下，較高的平均功率對應較高的單脈沖能量和峰值功率，材料的蝕除速率更大。而15MPa的水壓形成的水射流不足以對該條件下的加工區(qū)域進行充分的冷卻和沖刷，導致部分熔融材料未能及時排出，在孔表面形成少量沉積，同時導致重鑄層的產(chǎn)生。當平均功率降為40W后，射流在脈沖間隙對加工區(qū)域的冷卻和沖刷作用更為充分，孔表面的材料沉積明顯減少，孔底面幾乎看不到重鑄層，且孔的出、入口圓度得到明顯提升。
將40W功率加工得到的孔從中間豎向剖開，得到的半孔形貌如圖7e所示?？梢娍妆谳^為光滑、連續(xù)性較好，幾乎無重鑄層和熱影響區(qū)。且孔的出、入口直徑差距不明顯，證明了水導激光加工得到的孔相比其他激光加工方式錐度更小。這種差異主要是由于傳統(tǒng)激光能量大多為高斯分布，激光聚焦后能量迅速發(fā)散失去加工能力；而水導激光由于水射流的限制，在工作距離內(nèi)射流截面能量密度均勻分布，加工景深更大，得到的孔錐度也就更小。
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斜孔加工
發(fā)動機葉片多為曲面結(jié)構(gòu)，在不同位置的傾角有較大的差異，往往需要在葉片上加工斜孔。為保證斜孔的完整性，要求制取的斜孔出、入口斜邊光滑無缺陷。使用水導激光在2.6mm厚的DD6合金上制取45°斜孔，目標孔直徑為400μm，采用同心圓的走刀路徑，所選參數(shù)為：激光平均功率40W，掃描速度1mm/s，水壓15MPa。表征加工得到的孔上、下表面和截面形貌，如圖8所示。
a）上表面 b）下表面
c）截面
圖8 水導激光加工得到的斜孔形貌
對于同樣厚度的試件，斜孔的加工距離相比直孔更長，加工難度更大。但觀察表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斜孔的入口圓度非常好，表面無熔融物，與未加工表面一致?？椎倪吘墴o缺失和斷裂，但在孔軸線與涂層表面夾角為銳角的一端出現(xiàn)部分殘缺，這是由于銳角端材料更薄，容易受高速水射流沖刷引起輕微缺陷。孔軸線與表面夾角為鈍角的一端孔過渡銳利，無崩壞情況發(fā)生。出口表面的形貌規(guī)律與入口較為一致，但由于孔底端的排水更加困難，沖刷冷卻性能更差，得到的表面質(zhì)量也就相應降低。斜孔的截面質(zhì)量與直孔基本一致，孔壁圓滑、連續(xù)性好，幾乎無重鑄層和熱影響區(qū)，滿足渦輪葉片氣膜孔的制取要求。試驗表明，水導激光可以在2.6mm厚DD6鎳基高溫合金上制取直徑400μm的高質(zhì)量直孔和45°斜孔，在渦輪葉片氣膜孔制取領域具有顯著優(yōu)勢。
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結(jié)束語
采用水導激光在2.6mm厚的DD6鎳基高溫合金上進行制孔加工，并從加工質(zhì)量和效率等方面與微秒脈沖激光和飛秒激光進行對比，確立了水導激光的加工優(yōu)勢。水導激光加工得到的400μm直孔和45°斜孔質(zhì)量優(yōu)異，孔表面圓度好，幾乎無材料沉積、熱影響區(qū)和崩碎等加工導致的缺陷，滿足工業(yè)生產(chǎn)的制孔需求，為渦輪葉片氣膜孔的制取提供了更優(yōu)加工手段。
