林卿，任乃飛，笪揚(yáng)，傅茂華，丁紅燕

（1.宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇宿遷 223800；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

渦輪葉片氣膜冷卻孔對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要，其孔徑小、數(shù)量多，一直以來都是加工難點(diǎn)。加工方式一般采用電液束、電火花、激光加工3種。脈沖激光加工的效率和精度高，已成為微孔加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)激光打孔工藝做了大量的研究工作，如研究脈沖能量、脈沖寬度、輔助氣體環(huán)境以及一些特殊的技術(shù)手段等對(duì)激光打孔的影響，以提高打孔效率，獲得高質(zhì)量的孔型。晏緒光等采用調(diào)制后的激光脈沖技術(shù)獲得了較好孔形，達(dá)到未調(diào)制脈沖加工難以達(dá)到的效果；譚險(xiǎn)峰等主要分析了不同離焦量對(duì)激光打孔的孔徑和錐度的影響；錢曉忠等分析了激光參數(shù)對(duì)微孔錐度的影響，發(fā)現(xiàn)離焦量、脈沖寬度和脈沖數(shù)對(duì)微孔錐度的影響較大，而重復(fù)頻率和脈沖能量的影響較小；Geng等通過在工件和激光器之間設(shè)置阻隔篩板，成功加工出更小孔徑和更大深徑比的微孔。除脈沖激光沖擊打孔方式外，Goyal等對(duì)Ti-6Al-4V材料進(jìn)行了環(huán)切打孔，建立了基于遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)學(xué)模型，利用該模型優(yōu)化了激光加工參數(shù)，加工出極小錐度的孔，并且優(yōu)化了影響微孔圓度的加工參數(shù)。近年來，研究人員對(duì)異型孔的激光加工工藝進(jìn)行了研究。Yao等利用仿真和試驗(yàn)研究了在不同傾斜角度打孔的孔形形貌，表明激光功率密度和傾斜角度對(duì)孔形形貌有顯著影響；Kamalu等對(duì)涂覆熱障材料的靶材進(jìn)行了多角度的激光斜孔打孔試驗(yàn)，研究了脈沖能量、脈沖寬度和入射角度對(duì)小孔形貌質(zhì)量的影響，表明在較大傾斜角度下，在涂層和基底之間、靠近孔口入口處會(huì)出現(xiàn)材料分層剝離現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)其主要是由在打孔過程中產(chǎn)生劇烈溫度梯度和反沖壓力導(dǎo)致的；Sezer等通過仿真與試驗(yàn)研究了不同傾斜角度對(duì)涂覆熱障涂層的鎳基高溫合金的微孔熱影響區(qū)及孔壁重鑄層的影響，發(fā)現(xiàn)隨著入射角的增大，熱影響區(qū)范圍和重鑄層厚度均逐漸增大。

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜冷卻孔加工中基礎(chǔ)問題的研究多集中在直孔打孔方面，對(duì)斜孔等異型孔研究較少，而縫形、簸箕形等異型斜孔卻可以改變氣膜孔氣流通道，提高氣膜孔的冷卻效率。在仿真研究方面，大多采用水平集法，流體體積法等方法追蹤固液界面。本文利用有限元軟件COMSOL的固體傳熱模塊和幾何變形接口實(shí)現(xiàn)了孔口界面追蹤，以期為GH4037合金的斜孔加工工藝提供一定研究基礎(chǔ)。

1 毫秒激光傾斜打孔

本試驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)德瑪吉LASERTEC 80 PowerDrill數(shù)控精密激光打孔機(jī)床，配備波長(zhǎng)為1064 nm釔鋁石榴石晶體激光器，該機(jī)床適用于渦輪葉片等的精密激光打孔和焊接。激光脈沖數(shù)設(shè)定為180個(gè)，重復(fù)頻率為60 Hz，脈寬1 ms，打孔方式為沖擊打孔，無輔助氣體，靶材與水平面夾角分別設(shè)定為30°和45°，靶材裝夾方式如圖1所示?？仔涡蚊驳挠^察與測(cè)量采用日本基恩士VKX250激光共聚焦掃描顯微鏡。

圖1 靶材裝夾方式

首先確定傾斜打孔時(shí)的離焦量。脈沖能量設(shè)定為0.6 J，在不同離焦量、靶材傾斜15°下的加工孔形剖面和孔口形貌分別如圖2、3所示。在相同激光能量下，在激光焦點(diǎn)處于負(fù)離焦（圖2（a））或者正離焦（圖2（c））時(shí)，打孔深度不足；在零離焦（即激光焦點(diǎn)處于靶材表面）打孔時(shí)，不僅打孔深度較大，且在孔口（入口）處的圓度較好（圖3（b）），橫縱向孔徑差值最小。所以，在本文后續(xù)試驗(yàn)中，均設(shè)定離焦量為0 mm。

圖2 在不同離焦量、靶材傾斜15°下的孔形剖面

圖3 在不同離焦量、靶材傾斜15°下的孔口（入口）形貌

在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為30°下的打孔形貌如圖4所示。從圖中可見，隨著脈沖能量的提高，孔深不斷增大，孔形質(zhì)量整體較好。在激光共聚焦顯微鏡的測(cè)量結(jié)果中，圖中綠線為測(cè)量基準(zhǔn)線，即此線所在平面為測(cè)量基準(zhǔn)面。測(cè)量所得的孔深和入口孔徑見表1。從表中可見，隨著脈沖能量的增大，孔深與孔口直徑均逐漸增大。

圖4 在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為30°下的打孔形貌

表1 在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為30°下的測(cè)量孔深與入口孔徑

在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為45°下的打孔形貌如圖5所示。隨著脈沖能量的提高，孔深不斷增大，但與傾角30°情況下相比，打孔深度較淺，孔形質(zhì)量較差。造成這種差別的原因主要是：（1）傾角增大，靶材反射率提高，靶材對(duì)激光能量的吸收率降低；（2）靶材表面的實(shí)際光斑面積增加，孔口處的燃燒效應(yīng)更為明顯（圖中紅圈），孔口處出現(xiàn)二次燒蝕現(xiàn)象，造成實(shí)際孔口面積大于激光光斑面積，Chan等發(fā)現(xiàn)在熔融階段熱傳導(dǎo)主要通過液體循環(huán)流動(dòng)傳遞，由于表面吸收的激光能量首先通過徑向流動(dòng)傳遞，使熔池變得淺而寬，本文試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該現(xiàn)象。這2種因素綜合導(dǎo)致打孔深度較淺，孔形質(zhì)量較差。

圖5 在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為45°下的打孔形貌

測(cè)量所得的孔深和入口孔徑見表2。隨著脈沖能量的提高，孔深逐漸增大，孔口直徑在脈沖能量為1.2～1.6 J時(shí)逐漸增大，但在脈沖能量為1.8 J時(shí)卻減小了，這是因?yàn)樵诿}沖能量為1.2～1.6 J時(shí)，孔口均出現(xiàn)了明顯的二次燒蝕現(xiàn)象（圖5（a）、（b）、（c）中紅圈位置）。當(dāng)脈沖能量提高到1.8 J及以上時(shí)，孔口處不再有明顯二次燒蝕現(xiàn)象，靶材表面破孔迅速，激光光束通過孔內(nèi)壁不斷反射向下傳遞，激光能量得以及時(shí)傳導(dǎo)至孔內(nèi)，造成孔深增大、孔口減小的現(xiàn)象（圖5（d）），但由于傾角較大，光束在孔內(nèi)壁的來回反射、散射均不可控，導(dǎo)致孔形貌質(zhì)量不佳。

表2 在不同脈沖能量、靶材與水平面夾角為45°下的測(cè)量孔深與入口孔徑

2 COMSOL仿真過程

采用COMSOL軟件的固體傳熱和變形幾何模塊對(duì)斜孔激光打孔成型進(jìn)行仿真，激光光斑中心位置為模型坐標(biāo)（0，0）位置，激光強(qiáng)度在軸方向呈高斯分布。在固體傳熱接口中定義的廣義向內(nèi)邊界熱通量[20]為

式中：=（/π·r），為脈沖能量密度，為脈沖能量；為光斑半徑；為脈沖數(shù)；為脈沖間隔時(shí)間；為激光脈寬；為靶材反射率。

針對(duì)燒蝕建模施加的邊界條件為對(duì)流熱通量邊界條件

式中：為材料氣化燒蝕吸收的熱通量；為氣化溫度；=_(-)，為傳熱系數(shù)，_()為斜率為1E8的斜坡函數(shù)。

較大斜率的定義確保材料溫度不會(huì)明顯超過氣化溫度，如設(shè)置過小會(huì)導(dǎo)致材料溫度明顯超過其燒蝕溫度，設(shè)置過大則會(huì)造成數(shù)值計(jì)算收斂過慢。通過上述定義可以實(shí)現(xiàn) 在＜時(shí)熱通量為零，在＞時(shí)熱通量呈線性增長(zhǎng)。為程序計(jì)算溫度，材料達(dá)到氣化溫度后，其去除速率可以通過指定燒蝕邊界1個(gè)法向網(wǎng)格速度來實(shí)現(xiàn)，=/（·_），其中為材料密度，_為升華熱。不同于有限元軟件ANSYS的網(wǎng)格生死單元法，在本算例中，在＞時(shí)，燒蝕邊界網(wǎng)格向內(nèi)移動(dòng)（如圖6所示），模型網(wǎng)格變形壓縮，形成孔形。在脈沖數(shù)為180，重復(fù)頻率為60 Hz，脈寬1 ms，脈沖能量為1.2～1.8 J時(shí)，在不同脈沖能量、靶材傾斜30°和45°下的打孔仿真形貌分別如圖7、8所示。

圖6 網(wǎng)格變形

對(duì)于激光共聚焦顯微鏡的測(cè)量圖4、5而言，測(cè)量孔深并非實(shí)際孔深，=/cos，為靶材傾斜角度。將仿真圖片導(dǎo)入基恩士VK觀察軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真計(jì)算所得的孔深及入口孔徑的測(cè)量。在30°和45°傾角下打孔孔深和入口孔徑的試驗(yàn)與仿真結(jié)果見表3。

圖7 在不同脈沖能量、靶材傾斜30°下的打孔仿真形貌

圖8 在不同脈沖能量、靶材傾斜45°下的打孔仿真形貌

表3 30°和45°傾角下的打孔孔深及入口孔徑試驗(yàn)與仿真結(jié)果

對(duì)于孔深來說，在30°和45°傾角下的仿真結(jié)果均小于試驗(yàn)結(jié)果（如圖9所示），這是因?yàn)樵诜抡嬷形纯紤]靶材在空氣中的燃燒效應(yīng)，以及忽略孔內(nèi)等離子體反沖壓力等因素造成的。

對(duì)于入口孔徑來說，在45°傾角、脈沖能量為1.2、1.4和1.6 J下，實(shí)際孔徑均大于仿真孔徑（如圖10所示），這是由于在仿真過程中未考慮孔口處的二次燒蝕；而在1.8 J下的實(shí)際孔徑卻小于仿真孔徑。在30°傾角下，入口孔徑在脈沖能量為1.2～1.8 J內(nèi)變化不大，實(shí)際孔徑均小于仿真孔徑。

圖9 不同角度下的試驗(yàn)孔深與仿真孔深

圖10 不同角度下的試驗(yàn)孔徑與仿真孔徑

由此可見，在實(shí)際打孔過程中未發(fā)生孔口二次燒蝕現(xiàn)象時(shí)，實(shí)際孔徑均小于仿真孔徑，這可能是由于在實(shí)際打孔過程中，當(dāng)靶材表面一旦破孔并且未出現(xiàn)孔口二次擴(kuò)大燒蝕時(shí)，激光光束立即傳遞至孔內(nèi)，并在孔內(nèi)壁的反射下快速向下傳遞，即在破孔之后，激光能量在空間的高斯分布有所改變，而仿真分析并未考慮這一因素，所以當(dāng)孔口未發(fā)生二次燒蝕時(shí)，得到實(shí)際孔徑小于仿真孔徑，而實(shí)際孔深大于仿真孔深的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）雖然在仿真分析中，GH4037合金毫秒激光傾斜打孔的傾斜角度可達(dá)45°，但是在試驗(yàn)中45°傾斜打孔難以獲得較好孔形；

（2）傾斜打孔時(shí)，靶材反射率隨著入射角的增大而提高，在孔口處對(duì)激光能量的吸收增強(qiáng)，孔深不及垂直打孔的；

（3）使用COMSOL變形幾何接口模擬打孔過程時(shí)，變形幾何接口使用了超彈性平滑類型，不允許域中存在任何拓?fù)渥兓?，所以無法模擬通孔的形成，只能模擬一側(cè)材料的去除。