吳 博，陳 陽(yáng)，張?jiān)迄i

（1.空軍裝備部駐西安地區(qū)第二軍事代表室，陜西西安 710000；2.西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710021；3.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072 ）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“飛機(jī)的心臟”，渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的核心部件，長(zhǎng)期處于高溫、高壓的工作環(huán)境中，其強(qiáng)度與壽命直接決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性[1]。自上世紀(jì)80 年代，我國(guó)就將發(fā)動(dòng)機(jī)研制列入國(guó)家重大發(fā)展規(guī)劃，通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)與突破，滿足未來(lái)航空發(fā)展的各種需求。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，試圖從材料、工藝、試驗(yàn)環(huán)境等多學(xué)科解決困境，并取得了顯著的成績(jī)。

鎳基高溫合金被廣泛用于渦輪葉片組件中，特別是單晶高溫合金，其內(nèi)部沒(méi)有晶界等缺陷，強(qiáng)度更高，抗蠕變性能更好。渦輪葉片工作環(huán)境復(fù)雜，為了滿足其高溫服役需求，葉片表面往往存在大量的冷卻氣膜孔。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，冷卻氣體通過(guò)氣膜孔在葉片表面形成一層氣膜，從而達(dá)到隔絕高溫燃?xì)獾哪康腫2-4]。以某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片為例，該葉片緣板共分布600 余個(gè)氣膜孔，這些氣膜孔尺寸小、精度要求高，由于分布在復(fù)雜型面上，加工角度也不盡相同，且個(gè)別區(qū)域?yàn)闈M足冷卻需求而將氣膜孔設(shè)計(jì)為異形孔，這些對(duì)于氣膜孔加工設(shè)備及工藝提出了極高的要求。

采用傳統(tǒng)的電火花及電液束氣膜孔加工工藝，一方面會(huì)由于設(shè)備自身自動(dòng)化程度低、適應(yīng)性窄，無(wú)法一次性實(shí)現(xiàn)大量多種孔徑氣膜孔自動(dòng)加工且電火花加工的氣膜孔具有較厚的重熔層、微裂紋等缺陷；另一方面，電火花設(shè)備加工異形孔的工序復(fù)雜，電液束工藝更是難以加工異形孔，這直接限制了高質(zhì)量、高效冷卻氣膜孔在渦輪葉片中的應(yīng)用[5]。具有脈沖寬度短、峰值功率高、自動(dòng)化程度高的皮秒激光加工方式被寄予厚望，有望成為能一次性實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效冷卻氣膜孔應(yīng)用的良好手段。

1 氣膜孔皮秒激光加工試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用DD5 鎳基單晶高溫合金作為研究對(duì)象，試驗(yàn)階段選用厚度為3 mm 的DD5 試片進(jìn)行工藝參數(shù)的探究。

試驗(yàn)選用的五軸激光微加工設(shè)備，搭載了5 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸、光束旋切掃描模塊及CTI 二維振鏡，可在不同材料上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面任意角度的高品質(zhì)圓柱孔、異形孔加工；同時(shí)，該設(shè)備還配置了三維檢測(cè)輔助定位、激光脈沖靶標(biāo)控制、實(shí)時(shí)穿透監(jiān)測(cè)、同軸定位、實(shí)時(shí)光參量監(jiān)測(cè)控制及環(huán)控系統(tǒng)等功能，可滿足高品質(zhì)氣膜孔要求的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方案

氣膜孔質(zhì)量主要受重熔層、熱影響區(qū)、微裂紋等組織缺陷以及圓度、錐度等形態(tài)特征的影響?；诩す饧庸そ?jīng)驗(yàn)，氣膜孔圓度的主要影響因素包括偏振度、光路精度、激光像散及光斑橢圓度[6]，可通過(guò)調(diào)節(jié)波片與光路精度，將氣膜孔圓度調(diào)試到最佳狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選擇激光功率、離焦量和單層進(jìn)給量作為氣膜孔錐度、重熔層厚度和加工效率的影響因素，再增加空白因素X 構(gòu)成四因素三水平正交試驗(yàn)方案，即L9（34）[7]，因素水平見(jiàn)表1。

表1 因素水平表

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用旋切掃描加工頭在厚度3 mm 的DD5試片上加工孔徑0.6 mm 的氣膜孔；采用500 倍金相顯微鏡檢測(cè)不同工藝參數(shù)加工氣膜孔的內(nèi)壁是否有重熔層、微裂紋和熱影響區(qū)；采用二次元影像測(cè)量?jī)x測(cè)量不同工藝參數(shù)加工氣膜孔的正反面孔徑，并以正面孔徑與反面孔徑的差值來(lái)表征氣膜孔錐度，當(dāng)數(shù)值為正則氣膜孔孔形呈正錐形，反之則為倒錐，當(dāng)數(shù)值為0 則氣膜孔孔形為圓柱孔；通過(guò)氣膜孔擊穿時(shí)間來(lái)表征加工效率，利用設(shè)備實(shí)時(shí)穿透監(jiān)測(cè)模塊對(duì)氣膜孔穿透情況進(jìn)行判斷，當(dāng)圖像連續(xù)觀察不到激光加工軌跡時(shí)表示氣膜孔擊穿，并記錄該過(guò)程的時(shí)間作為加工效率的評(píng)判依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 是正交試驗(yàn)參數(shù)下氣膜孔加工的試驗(yàn)結(jié)果。由此初步分析得以下結(jié)論：①功率對(duì)氣膜孔內(nèi)壁重熔層厚度的影響最顯著，其次是單層進(jìn)給量，離焦量的影響程度較低；②離焦量對(duì)氣膜孔錐度的影響程度最大，功率次之，單層進(jìn)給量的影響程度較低；③加工效率受激光功率影響最大，單層進(jìn)給量次之，離焦量對(duì)其影響程度較低。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 重熔層厚度

重熔層作為表征氣膜孔質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，會(huì)直接影響材料的疲勞壽命。渦輪在高溫高壓環(huán)境下，如果重熔層得不到控制，極易發(fā)生斷裂并導(dǎo)致嚴(yán)重事故，故通常要求高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔重熔層厚度不大于0.02 mm。圖1 是不同因素水平下的重熔層厚度曲線?？梢?jiàn)，隨著激光功率的上升，氣膜孔重熔層逐漸開(kāi)始顯現(xiàn)。當(dāng)激光功率達(dá)到70 W時(shí)，氣膜孔內(nèi)壁普遍出現(xiàn)重熔層，但重熔層厚度會(huì)隨單層進(jìn)給量的增加適當(dāng)減小，這是由于單層進(jìn)給量增大會(huì)減少激光與材料相互作用的時(shí)間，致使激光在該區(qū)域停留的時(shí)間縮短，這在一定程度上抑制重熔層的產(chǎn)生[8-9]。

圖1 不同因素水平下的重熔層厚度變化

2.3 氣膜孔錐度

圖2 是不同因素水平下的氣膜孔錐度曲線?？梢?jiàn)，當(dāng)離焦量為-0.2 mm 時(shí)，氣膜孔接近于圓柱孔，即正反面孔徑基本一致。離焦量對(duì)氣膜孔錐度的影響最為顯著，處于負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下更容易加工出錐度較小的氣膜孔。這是由于正離焦加工時(shí)激光焦點(diǎn)初始位置處于材料之外，表面能量密度遠(yuǎn)小于聚焦時(shí)的能量密度，加工過(guò)程中激光進(jìn)給的實(shí)際距離小于氣膜孔深度，焦點(diǎn)光斑在氣膜孔擊穿時(shí)無(wú)法到達(dá)孔底部，孔底去除材料的效果受限，導(dǎo)致氣膜孔出口孔徑小于入口，形成正錐形氣膜孔。采用負(fù)離焦加工時(shí)，焦點(diǎn)的初始位置處于材料內(nèi)部，隨著激光不斷進(jìn)給，孔內(nèi)壁的激光能量密度逐漸升高，加上激光在孔內(nèi)的反射作用，等離子體對(duì)激光的發(fā)散作用同樣會(huì)導(dǎo)致部分激光輻射到孔內(nèi)壁，此時(shí)激光的能量密度將大于材料的燃燒閾值，從而將氣膜孔內(nèi)部的材料充分去除，形成倒錐形氣膜孔或圓柱孔[10]。

圖2 不同因素水平下的氣膜孔錐度變化

選擇厚度3 mm 的DD5 高溫合金試片，固定激光功率為60 W，設(shè)置單層進(jìn)給量在0.02～0.03 mm區(qū)間，每間隔0.005 mm 加工一個(gè)直徑0.6 mm 的氣膜孔，測(cè)量錐度結(jié)果見(jiàn)表3?？煽闯?，當(dāng)單層進(jìn)給量為0.03 mm 時(shí)，氣膜孔接近于圓柱孔。

表3 不同單層進(jìn)給量下氣膜孔錐度測(cè)量結(jié)果

2.4 加工效率

圖3 是不同因素水平下的加工效率曲線。可見(jiàn)，激光功率是加工效率的主要影響因素，隨著激光功率的增加，激光對(duì)材料的去除能力顯著提升。此外，單層進(jìn)給量決定了激光和材料的作用位置與焦點(diǎn)之間的關(guān)系，這同樣會(huì)影響材料的去除效率，當(dāng)單層進(jìn)給量與激光對(duì)材料的去除能力相匹配時(shí)，加工效率達(dá)到峰值。

圖3 不同因素水平下的加工效率變化

2.5 加工效果

采用功率60 W、離焦量-0.2 mm、單層進(jìn)給量0.03 mm 的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行加工，得到的氣膜孔見(jiàn)圖4 和圖5，氣膜孔表面掃描電鏡見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，采用該參數(shù)在DD5 試片上加工的氣膜孔無(wú)重熔層、熱影響區(qū)及微裂紋，同時(shí)在氣膜孔孔徑、位置度及表面缺陷等指標(biāo)上也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 氣膜孔正反面放大圖

圖5 金相顯微鏡下氣膜孔形貌

圖6 氣膜孔表面SEM 圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)正交試驗(yàn)的分析方法，研究了皮秒激光在DD5 高壓渦輪導(dǎo)向葉片上制孔的工藝參數(shù)對(duì)葉片氣膜孔重熔層、錐度和加工效率的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著激光功率增加，氣膜孔內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)重熔層，同時(shí)加工效率也明顯提升；當(dāng)皮秒激光功率達(dá)到60 W 時(shí)，容易得到更高質(zhì)量的氣膜孔。

（2）處于負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下更易加工出圓柱孔或倒錐孔；當(dāng)離焦量為-0.2 mm 時(shí)，加工的氣膜孔錐度效果最佳。

（3）單層進(jìn)給量需要匹配相應(yīng)的激光功率，對(duì)加工效率、重熔層厚度和氣膜孔錐度都有不同程度的影響；當(dāng)激光功率達(dá)到60 W、單層進(jìn)給量增加至0.03 mm 時(shí)，氣膜孔呈現(xiàn)為圓柱孔或倒錐孔，孔內(nèi)壁無(wú)重熔層。

（4）選定功率60 W、離焦量-0.2 mm、單層進(jìn)給量0.03 mm 的工藝參數(shù)條件下，采用五軸激光微加工設(shè)備對(duì)DD5 高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔進(jìn)行一次定位自動(dòng)化加工，既滿足了氣膜孔無(wú)重熔層、無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)微裂紋的內(nèi)壁質(zhì)量要求，同時(shí)在氣膜孔孔徑、位置度及表面缺陷等技術(shù)指標(biāo)上都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。