孫 珅，李偉劍，桓 恒

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧沈陽110043）

單晶高溫合金在高溫環(huán)境下具有較好的綜合力學性能，被應用在航空發(fā)動機關鍵部件的制造中。某型航空發(fā)動機高壓渦輪葉片的材料為DD5單晶高溫合金，通過在高渦葉片上設計氣膜孔結(jié)構(gòu)，能在葉身形成氣膜冷卻，有效降低高渦葉片的工作溫度。而氣膜孔的高質(zhì)量、高效率加工一直是加工領域的一個難題，其加工手段通常有電火花加工、電液束加工。電火花加工不可避免地產(chǎn)生重熔層、微裂紋等微觀組織缺陷，電液束加工的制造效率很低。因此，提高氣膜孔的加工質(zhì)量和效率已成為新一代航空發(fā)動機渦輪葉片制造的一項關鍵技術。

激光加工技術作為先進制造技術的重要組成部分，其高精度、高效率的特點被不斷地應用在新的加工領域。同時，皮秒、飛秒激光器技術的發(fā)展也為微孔加工提供了新的工藝方法。采用超短脈沖激光加工微孔幾乎不存在熱影響區(qū)，加工微孔的深徑比大（可達 1∶20），無重熔層、微裂紋等缺陷，精度高，因此引起了工程領域的極大關注。超短脈沖激光對材料的去除作用主要通過光化學機制實現(xiàn)，通過直接破壞材料內(nèi)的化學鍵，將材料分解為細小的氣態(tài)分子或原子[1]。目前尚未對超短脈沖激光加工微孔的物理機制形成廣泛的共識。早在1974年，Anisimov等[2]首次提出雙溫模型方程，用以分析超短脈沖激光同金屬材料的相互作用。國內(nèi)有學者基于一維雙溫模型分析得到了材料表層電子與晶格溫度隨時間的變化規(guī)律，從溫度角度分析了飛秒激光加工彈簧鋼65Mn與K24高溫合金的非熱熔性本質(zhì)[3]。通常認為，對于皮秒激光，脈沖作用時間接近熱擴散時間，當輻照區(qū)域得到高能量以后，溫度上升并遠超過材料的熔化及氣化溫度值；而對于飛秒激光，其脈寬更低，對材料的熱影響更小，但皮秒激光加工效率明顯較高。目前，皮秒激光旋切制孔的效率一般在1.99×10-3mm3/s，略高于飛秒激光制孔效率。因此從宏觀上看，兩種加工工藝均屬于“冷加工”范疇，加工質(zhì)量相近，且由于目前皮秒激光器成本略低，可維護性更好，所以對于渦輪葉片氣膜孔加工而言，皮秒激光旋切制孔技術具有效率上的優(yōu)勢。

目前對于高深徑比微孔的加工，一般采用旋切制孔工藝。通過采用四光楔對光束軌跡進行控制，使光束在掃描范圍內(nèi)作螺旋線運動，并同深度方向的進給運動相結(jié)合，共同完成微孔的加工。在皮秒激光同金屬材料的作用過程中，被去除的材料通過氣化，以等離子體的形式向周圍進行濺射，和形成的氣化物共同產(chǎn)生屏蔽現(xiàn)象；繼續(xù)照射，屏蔽作用減弱，材料通過復合過程得以去除[4]。對于超快激光制孔的熱過程，國內(nèi)文獻一般通過仿真模擬來研究其微觀機制變化，卻鮮有實驗研究。本文通過對單晶材料皮秒旋切制孔工藝過程中的熱過程進行研究，采用熱成像儀得到加工過程中制孔區(qū)域的溫度場變化，并得到溫度曲線，根據(jù)結(jié)果對實際過程進行分析和解釋。通過比較同軸氣體施加與否、二次制孔三種情況，指出在皮秒激光旋切制孔工藝中，并未觀測到單晶材料加工區(qū)域的溫度升高到氣化、液化溫度以上的情況，加工區(qū)域的溫度仍保持在較低水平。通過實驗提出了一種利用監(jiān)視加工過程溫度曲線特征進而在線控制制孔過程的方法，為研發(fā)皮秒激光高渦葉片旋切制孔工藝提供參考。

1 實驗方法

實驗所用工件材料為DD5單晶試片，尺寸為20 mm×30 mm×2 mm。激光加工前，對試片表面進行磨削，并用超聲波清洗機清洗掉試片表面油污。加工后，再用超聲波清洗機清洗，并用無水乙醇擦拭。實驗設備為五軸超快激光微孔加工機床。皮秒激光脈寬≤10 ps，重復頻率200 kHz，輸出功率≥30 W。實驗用TiX 1000熱成像儀進行檢測，用DSX110數(shù)碼超景深顯微鏡對孔徑進行檢測，用Model 1918-R激光功率計測定激光功率。

加工過程中，設備采用壓縮空氣作為同軸氣體垂直于試片表面并施加在加工區(qū)域上，氣體壓力為0～0.4 MPa可調(diào)。設備通過孔徑角控制掃描圓環(huán)的范圍，進而控制孔徑尺寸。Z軸按設定的單層進給量進給。實驗共分為三組，均為直孔加工，組一、組二分別在施加同軸氣體和未施加同軸氣體的條件下進行，組三在未施加同軸氣體的條件下進行二次制孔。三組實驗的加工參數(shù)見表1。

表1 激光加工參數(shù)表

2 實驗結(jié)果及分析

實驗過程中得到了典型的紅外熱圖（圖1）及三組制孔實驗條件下的溫度-時間曲線（圖2），還得到了三組實驗條件下的顯微鏡照片，并對不同條件下所得的孔進行了金相檢測，結(jié)果見圖3～圖5。分別對孔徑尺寸進行檢測并計算錐度，結(jié)果見表2。

（1）在施加同軸氣體單次加工的條件下，溫度曲線如圖2a所示。當激光開始接觸材料后，加工區(qū)域的溫度瞬時短暫地升高，達到約290.5℃，隨后溫度立即下降到約130℃，期間存在不規(guī)則波動。當激光繼續(xù)輻照在材料表面，加工區(qū)域溫度曲線的振動逐漸收斂，平均溫度穩(wěn)定在150℃左右。當溫度曲線開始下降時，孔反面已被打穿，形成小孔。此時，激光焦點仍位于材料底部上方約0.8 mm處。激光能量通過反面孔徑向下方射出，對余下孔壁材料的去除過程中，加工區(qū)域溫度仍有較小波動。因此可通過熱像圖中加工區(qū)域最高溫度圖的變化規(guī)律確定孔打穿的準確時刻，利用熱像儀的觸發(fā)功能對孔加工進行動態(tài)控制。當監(jiān)測到加工區(qū)域的溫度降低到某一水平時，底層材料已受到激光照射。為保護底層材料，此時觸發(fā)加工系統(tǒng)關光。

圖1 實驗過程中的紅外熱圖

在組一實驗條件下得到孔的正、反面超景深顯微鏡照片（圖3）。在該參數(shù)下，孔正面直徑為三組實驗中最大，孔反面直徑為308.8 μm。且正面孔型圓度較好，周圍不存在附著于表面的飛濺物，反面周圍不存在表面氧化區(qū)。通過對孔正面部分區(qū)域生成的3D形貌可看出，孔入口處存在類似孔邊倒圓的不規(guī)則形貌，導致孔入口處的直徑測量值增大，并從孔入口處向下形成一定的錐度。

圖1a是組一實驗條件下觀測得到的溫度場。在加工過程中，該溫度場近似穩(wěn)定。當圖2a所示溫度曲線的時間為32 s時，紅外熱圖顯示圖1b所示的圖像，可觀察到激光通過已打穿的通孔、對一定距離的底層材料進行輻射，產(chǎn)生底層材料的溫升。

圖3 組一實驗條件下的制孔形貌

（2）在無同軸氣體單次加工的條件下，溫度曲線如圖2b所示。當激光開始輻照材料的初期，溫度最高達到約219.7℃，隨即加工區(qū)域的溫度波動逐漸收斂。當試片未打穿時，加工區(qū)域的最高溫度約在150～170℃之間波動，其波動程度較組一實驗條件下的溫度曲線小，且溫度曲線呈齒狀形貌。當試片打穿后，加工區(qū)域的溫度逐漸降低，大部分激光能量輻照在底層材料上。分析認為，在無同軸氣體單次加工的條件下，由于無同軸氣體吹散生成的等離子體，導致孔內(nèi)等離子體的密度急劇增加；另一方面，由于小孔效應的存在，促進了加工區(qū)域?qū)す獾奈?，因此在整個加工過程中，伴隨著去除產(chǎn)物從加工區(qū)域的溢出，加工區(qū)域的溫度波動不規(guī)則。此外，由于Z軸做一定規(guī)律的進給運動，導致Z軸每做一次進給，就會有新的區(qū)域處于激光焦點位置上，達到材料的燒蝕閾值，進而發(fā)生光化學反應。伴隨著加工的進行，該位置下處于燒蝕閾值的材料逐漸減少，形成最高溫度峰值的寬度逐漸變窄。實驗中也觀察到了等離子體爆破現(xiàn)象。光化學反應在加工區(qū)域的底部生成了等離子體等氣態(tài)物質(zhì)，氣相壓力急劇增加，從而導致堆積在小孔內(nèi)的氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)逆激光輻射方向劇烈地飛濺出材料表面。

在組二實驗條件下得到的孔的正、反面超景深顯微鏡照片見圖4。同組一實驗相比，孔正面內(nèi)壁形狀不規(guī)則，反面部分打穿，表面周圍有明顯的熱影響區(qū)域。對打穿區(qū)域生成3D形貌可發(fā)現(xiàn)，孔反面仍有部分遮擋，形成非圓環(huán)狀形貌。組二實驗條件下所形成的孔，其正、反面直徑最小，錐度最大。

圖1c是在組二實驗條件下某一時刻觀測到的溫度場。由于未施加同軸氣體，加工區(qū)域不斷受熱，熱量從加工區(qū)域不斷地傳至整個試片。

圖4 組二實驗條件下的制孔形貌

（3）在無同軸氣體二次加工的條件下，溫度曲線如圖2c所示。由于一次加工時孔已被打穿，大部分激光能量穿過孔反面輻照到底層材料表面，導致底層材料的溫升。當激光剛開始作用于加工區(qū)域的時刻，激光對錐度較大的孔進行去除，將反面圓度及錐度降低，主要過程以去除孔長度方向的下半部分為主。隨著激光更多地作用在孔的下半部分，余量較大的位置優(yōu)先被去除，在溫度曲線上表現(xiàn)為加工區(qū)域的最高溫度逐漸上升。最終，激光能量大量輻射在底層材料上。實驗中觀察到，在二次制孔剛開始的時刻，被去除的材料從孔下方噴射出去，因而通孔改變了排屑方式。

在組三實驗條件下得到孔的正、反面超景深顯微鏡照片見圖5?？梢?，孔正面內(nèi)壁的不規(guī)則形貌得到了較好地去除，且提高了孔反面圓度，但反面沿圓環(huán)周向同樣出現(xiàn)了熱影響區(qū)域。在該條件下，孔反面直徑最大，錐度最小。因此，對于無同軸氣體條件下，二次制孔能有效降低孔的錐度。

圖5 組三實驗條件下的制孔形貌

圖1d是在組三實驗條件下某一時刻觀測到的溫度場。圖1e是當激光通過已打穿的通孔時，對一定距離的底層材料的輻射情況。

表2 不同條件下激光制孔的孔徑值測量結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過實驗研究了皮秒旋切制孔工藝中的熱過程，通過綜合比較三種實驗參數(shù)下的制孔效果，得出以下結(jié)論：

（1）皮秒激光旋切制孔工藝中，并未觀測到單晶材料加工區(qū)域的溫度升高到氣化、液化溫度以上的情況，加工區(qū)域的溫度仍保持在較低水平，最高溫度僅約290.5℃。

（2）同軸氣體能有效減弱加工區(qū)域的溫度波動水平，孔反面幾乎不存在熱影響區(qū)域，制孔質(zhì)量更好。在未施加同軸氣體的條件下，二次制孔與一次制孔相比能獲得更小的錐度，且二次制孔的溫度曲線波動較小，但孔反面存在周向熱影響區(qū)域。

（3）采用熱成像儀監(jiān)測加工區(qū)域的最高溫度變化曲線，通過分析典型曲線特征，能實時動態(tài)監(jiān)測加工過程。在實際加工過程中，需控制孔打穿后的激光輻射對底層材料的影響，利用熱成像儀的觸發(fā)功能配合相關軟件，能對加工過程進行實時控制。

（4）通過分析加工區(qū)域的最高溫度曲線，能對加工參數(shù)優(yōu)化提供參考。為了提高加工效率，可利用熱成像儀選取特征溫度曲線的加工參數(shù)，通過優(yōu)化溫度曲線實現(xiàn)加工參數(shù)的優(yōu)化。

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[2] 楊立軍，孔憲俊，王揚，等.激光微孔加工技術及應用[J].航空制造技術，2016，514（19）：32-38.

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