張 偉，張曉兵，蔡 敏，紀 亮

（1. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2. 高能束流加工技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100024）

小孔加工是激光加工應用中最早實用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應用領域之一?，F(xiàn)代航空發(fā)動機葉片上包含了大量直徑在0.3～1mm之間的冷卻小孔，加工這些冷卻孔需要占用相當多的生產(chǎn)時間和成本。國外已經(jīng)將激光加工技術(shù)引入到航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔的制造，并證明這是一種經(jīng)濟高效率的加工方法。但目前應用的毫秒激光、納秒激光等長脈沖激光制孔方式由于存在強烈的熱效應，將不可避免地在加工區(qū)域產(chǎn)生重鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)等加工缺陷，這些缺陷將成為影響葉片服役壽命的重大隱患[1-5]。

20世紀90年代，超短脈沖飛秒激光器得到商業(yè)化應用，為高質(zhì)量的材料加工提供了新的有效工具[6-10]。飛秒激光微加工技術(shù)作為一項高新材料加工技術(shù)，以其超高精度和超低附帶損傷的特性迅速成為材料微加工領域的前沿性研究方向，具有廣闊的應用前景[11-15]。21世紀初，飛秒激光開始用于航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的加工研究[15]。

目前，針對航空發(fā)動機高壓渦輪葉片的鎳基單晶高溫合金材料的加工研究工作中發(fā)現(xiàn)：飛秒激光能量密度與其損傷材料機制密切相關。不同飛秒激光能量密度下鎳基單晶高溫合金呈現(xiàn)兩種損傷機制（非熱熔性損傷和熱熔性損傷），單脈沖非熱熔性損傷閾值（Φth1）和熱熔性損傷閾值（Φth2）分別為0.23J/cm2和1.21J/cm2[16]。飛秒激光加工小孔沒有出現(xiàn)危害性的加工缺陷，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)長脈沖激光和電加工方式[17]，但到目前為止，對于加工質(zhì)量重要的表征因素——重鑄層，有關飛秒激光加工過程中其影響因素和形貌特征的研究還非常有限。目前，已有研究結(jié)果表明，飛秒激光熱效應和加工效率與能量密度相關，而加工效率是飛秒激光微加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應用的關鍵因素之一[18-19]。深入系統(tǒng)地開展飛秒激光加工過程中重鑄層和加工效率的影響因素研究，并建立影響因素與重鑄層和加工效率的關系，能夠為飛秒激光用于航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的制造提供工藝優(yōu)化依據(jù)。

本文在飛秒激光對鎳基單晶高溫合金損傷機制和閾值行為研究結(jié)果的基礎上，深入系統(tǒng)地研究了飛秒激光能量密度（0＜Ф＜44.2J/cm2）對重鑄層和加工效率的影響規(guī)律，并建立了飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關系。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of the experimental setup for laser micromachining

圖2 鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N=500和不同能量密度加工后縱截面典型加工形貌Fig.2 SEM images of a trench machined by a femtosecond laser in nickel-based superalloy with N=500 laser pulses at different laser fluence

1 試驗方法

試驗采用航空發(fā)動機高壓渦輪葉片材料——鎳基單晶高溫合金（原子百分含量Ni 68.4%、Al 13.8%、Ta 2.7%、Re 1.6%、W 1.9 Co 7.3%、Cr 3.3%。試樣尺寸為直徑10mm、厚度0.5mm的圓片，表面經(jīng)過磨拋處理。飛秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示，包括飛秒激光器（脈沖寬度120fs，波長780nm，重復頻率1kHz）、光路傳輸和控制單元（多級波片、偏振分光棱鏡、全反鏡、數(shù)值孔徑為0.14和0.25的聚焦物鏡等）、三維移動平臺（步進精度125nm）。為了簡化試驗和分析過程，采用掃描劃線加工方式分析能量密度對重鑄層的影響，掃描速率均設置為360μm/s，加工區(qū)域每個點脈沖個數(shù)N為500個，加工后試樣經(jīng)超聲清洗表面。為了表征孔壁重鑄層，對加工試樣進行切割，鑲樣機熱鑲后，對縱截面進行磨拋和侵蝕處理。采用掃描電鏡（Scanning Electron Microspace,SEM）進行顯微形貌和組織觀測，采用原子力顯微鏡（Atomic Force Microspace, AFM）進行微納米級加工深度測量。

2 試驗結(jié)果

2.1 能量密度對重鑄層的影響

圖2為鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N=500和不同能量密度加工后縱截面典型加工形貌。當能量密度為0.88 J/cm2時（約為鎳基合金非熱熔性損傷閾值Φth1的4倍，

圖3為鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N= 500加工后重鑄層厚度與能量密度的關系。結(jié)果顯示：在能量密度高于鎳基合金非熱熔性損傷閾值（0.23 J/cm2）低于熱熔性損傷閾值（1.21 J/cm2）[16]時，沒有明顯重鑄層存在。當能量密度高于熱熔性損傷閾值時，重鑄層開始出現(xiàn)，并隨著能量密度的增加而不斷增加，能量從1.21J/cm2增加到44.2 J/cm2，重鑄層厚度從0.2 μm增加到4.8μm。

2.2 能量密度對加工效率的影響

圖4總結(jié)了鎳基合金飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關系。結(jié)果顯示：以鎳基合金非熱熔性和熱熔性損傷閾值為分界點，飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度之間呈現(xiàn)兩種不同的關系。第一種關系存在于非熱熔性損傷閾值（Φth1）與熱熔性損傷閾值（Φth2）之間，如圖4箭頭所指處所示，飛秒激光單脈沖加工深度在20～50nm之間，加工深度與能量密度呈線性關系。隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加速率緩慢；第二種關系存在于熱熔性損傷閾值（Φth2）以上，如圖4箭頭所指處所示，加工深度與能量密度仍呈線性關系，與第一種關系相比，隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加速率較快。

雙溫模型描述了飛秒激光與材料交互作用時處于非平衡態(tài)的電子和晶格的溫度變化過程，并指出飛秒激光加工深度S與能量密度Φ之間存在如下的關系式[20]：

S=(1/α)ln(Φ/Φth) ， （1）式中，1/α為激光穿透深度，Φth為損傷閾值。根據(jù)式（1）和圖4的試驗結(jié)果分別對加工深度和能量密度的兩種關系線性擬合，結(jié)果得出：在第一種關系下，1/α和Φth分別為14nm和0.2J/cm2；在第二種關系下，1/α和Φth分別為144nm和1.2J/cm2。兩種關系下Φth的兩個數(shù)值分別與單脈沖非熱熔性損傷閾值（0.23J/cm2）和熱熔性損傷閾值（1.21J/cm2）基本一致，證明了試驗結(jié)果的合理性。因此，非熱熔性和熱熔性損傷下，飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關系為：

圖3 鎳基合金經(jīng)飛秒激光在N = 500加工后重鑄層厚度與能量密度關系Fig.3 Recast layer as a function of the laser fluence at the constant pulse number N = 500 in nickel-based superalloy

圖4 鎳基合金飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的關系Fig.4 Ablation depth for single pulse as a function of the laser fluence in Ni-based superalloy

圖5 鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工單個微孔時間與能量密度的關系Fig.5 Machining time for single hole as a function of the laser fluence in nickel-based superalloy

在以上飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度關系的基礎上，試驗在熱熔性損傷條件下對厚度為500μm的樣品進行直徑為500μm的微孔加工，進一步研究能量密度對加工效率的影響。圖5為鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工單個微孔時間與能量密度的關系。結(jié)果顯示：隨著能量密度的增加，加工單個微孔所用的時間逐漸降低，能量密度從3.9J/cm2增加到19.6J/cm2，單個微孔的穿透時間從90min下降到6min，這一規(guī)律與飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度關系規(guī)律一致。

3 分析討論

能量密度是影響飛秒激光加工的一個重要參數(shù)[16-19]。飛秒激光具有兩種損傷方式，分別為非熱熔性損傷和熱熔性損傷，與能量密度密切相關。由固定的熱熔性損傷閾值把兩種損傷嚴格的分開。在飛秒激光熱熔性損傷下，隨著能量密度的增加，加工側(cè)壁重鑄層厚度增加（見圖2～3）。飛秒激光在較高的能量密度下將導致重鑄層以及重鑄層中疏松孔洞等加工缺陷的存在，從而導致加工質(zhì)量的降低（見圖2）。

本文在試驗結(jié)果的基礎上得到了非熱熔性和熱熔性損傷下飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關系式（2）～（3）。首先，在非熱熔性損傷下（Φth1＜Φ＜Φth2），飛秒激光單脈沖加工深度在20～50nm之間，并且隨著能量密度的增加，單脈沖加工深度增加較緩慢，此時飛秒激光加工效率較低。在熱熔性損傷下（Φ＞Φth2），飛秒激光單脈沖加工深度在50nm以上，并且隨著能量密度的增加，飛秒激光單脈沖加工深度增加較快，與非熱熔性損傷下飛秒激光加工效率相比，熱熔性損傷下加工效率較高。能量密度對微孔加工時間的影響研究進一步證明了熱熔性損傷機制下能量密度與加工效率的直接關系，即隨著能量密度的增加，加工單個微孔所用的時間逐漸降低，能量密度從3.9J/cm2增加到19.6 J/cm2，穿透時間從90min下降到6min。從微孔加工效率而言，本文認為提高能量密度是提高加工效率的有效方法。

4 結(jié)論

飛秒激光對鎳基合金加工過程中，能量密度與重鑄層厚度和加工效率密切相關：在Φth1＜Φ＜Φth2時，鎳基合金經(jīng)飛秒激光加工后加工側(cè)壁沒有出現(xiàn)明顯的重鑄物；在Φ＞Φth2時，加工側(cè)壁開始出現(xiàn)重鑄物。隨著能量密度的增加，重鑄層厚度增大。能量密度越高，飛秒激光單脈沖加工深度越大，加工效率越高。在試驗結(jié)果的基礎上，建立了飛秒激光單脈沖加工深度與能量密度的定量關系。

參 考 文 獻

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