肖強(qiáng)，馬國(guó)慶，靳龍平

1西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2西北工業(yè)集團(tuán)有限公司

1 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鎳基高溫合金氣膜孔的質(zhì)量要求越來越高，這對(duì)飛秒激光加工氣膜孔的加工工藝提出了新挑戰(zhàn)。氣膜孔制備技術(shù)是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)在極端高溫環(huán)境下穩(wěn)定高效運(yùn)行的重要技術(shù)之一[1]，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金葉片上加工出特定位置排布且孔徑為0.2～0.8mm的氣膜孔，使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，空氣通過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)饨档蜏囟鹊哪康腫2，3]。目前，加工氣膜孔的主要方法有電化學(xué)加工[4]、電火花加工[5]、電子束加工[6，7]和激光加工[8-10]，電化學(xué)加工精度和穩(wěn)定性較低且污染嚴(yán)重；電火花加工效率低，電極損耗較大；電子束加工要求加工環(huán)境為真空，難以大規(guī)模應(yīng)用；普通的長(zhǎng)脈沖激光加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大，對(duì)材料燒蝕嚴(yán)重，限制了激光加工高質(zhì)量氣膜孔的發(fā)展。

飛秒激光是一種脈寬極窄、峰值能量極高的超快激光[11，12]。飛秒激光與材料作用時(shí)可以在極短時(shí)間內(nèi)將激光能量注入加工區(qū)，材料溫度瞬時(shí)升高，直接轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)噴發(fā)出去，從而實(shí)現(xiàn)材料去除。相比于傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光加工，飛秒激光加工過程的熱影響區(qū)大大減小，在理論上可以達(dá)到冷加工效果，有效彌補(bǔ)了長(zhǎng)脈沖激光加工的不足[13，14]。

飛秒激光的加工重點(diǎn)之一是改善氣膜孔內(nèi)壁質(zhì)量，在目前的加工工藝下，加工孔壁的質(zhì)量參差不齊，達(dá)不到要求。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來越高，在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，葉片常發(fā)生斷裂，而磨開斷裂葉片后會(huì)發(fā)現(xiàn)，同一激光工藝參數(shù)加工出的氣膜孔孔壁質(zhì)量不同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析猜想，由于葉片上的氣膜孔角度各異，氣膜孔的傾斜角度可能會(huì)對(duì)孔壁質(zhì)量造成影響。本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)此問題進(jìn)行研究，并針對(duì)此問題提出了改進(jìn)方法。

2 飛秒激光制備氣膜孔機(jī)理

飛秒激光去除材料的過程復(fù)雜，涉及到物理學(xué)、光學(xué)及材料學(xué)等多種學(xué)科。加工材料時(shí)，激光在飛秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)通過極高的激光功率作用于工件，使材料從固態(tài)瞬間變?yōu)楦邷亍⒏邏旱牡入x子體狀態(tài)，以噴射的形式脫離被加工材料，從而實(shí)現(xiàn)材料的非熱熔加工。由于脈沖的持續(xù)時(shí)間極短，溫度來不及向周圍擴(kuò)散就發(fā)生了燒蝕，因此熱影響區(qū)和熱擴(kuò)散的作用也很小，利用飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金的精細(xì)加工。飛秒激光加工的顯著優(yōu)勢(shì)是加工精度高和熱影響區(qū)小，使用MATLAB軟件對(duì)飛秒激光的空間能量分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1所示。

圖1 高斯光束空間能量分布

飛秒激光空間功率密度的表達(dá)式為

(1)

式中，w0為束腰半徑；Z0為瑞利長(zhǎng)度；P0為空間功率密度。

由式(1)和MATLAB仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在傳播過程中，光束橫截面上的振幅分布服從高斯函數(shù)，且焦點(diǎn)處振幅最大，隨著徑向尺寸增加，振幅減弱，當(dāng)發(fā)散到一定程度時(shí)振幅趨于平緩。光束在同一橫截面上光強(qiáng)的空間分布關(guān)于x，y軸對(duì)稱。理論分析可得，光斑應(yīng)為規(guī)則圓形，光斑的中心為圓心，高斯光束在焦點(diǎn)中心處的能量密度最大，越遠(yuǎn)離焦點(diǎn)能量密度越小。

理想狀態(tài)下高斯光束同一橫截面上的能量分布表達(dá)式為

(2)

式中，F(xiàn)0為光束中心能量密度。

燒蝕閾值Fth是指去除材料所需的最小激光能量，材料被去除條件為光束能量密度大于Fth，由式(2)可以得出光束能量密度分布與材料燒蝕閾值的關(guān)系(見圖2)。飛秒激光加工材料時(shí)，每種材料都有一個(gè)穩(wěn)定性較高的燒蝕閾值，這是因?yàn)樵跓g過程中，非線性吸收和多光子電離處于主導(dǎo)地位，避免了材料摻雜特性和缺陷對(duì)閾值的影響。

圖2 光束能量密度與材料燒蝕閾值的關(guān)系

在實(shí)際飛秒激光加工過程中，激光器發(fā)出的激光束能量密度較小，不能滿足加工要求，需在加工系統(tǒng)中設(shè)計(jì)聚焦系統(tǒng)，將光束進(jìn)行聚焦以增強(qiáng)激光能量密度。光束通過聚焦鏡后能量密度增強(qiáng)，光斑尺寸極大減小，意味著飛秒激光的加工區(qū)域也同時(shí)減小，更有利于精密加工。由于飛秒激光光束經(jīng)過聚焦后仍為高斯光束，光斑中心處的能量密度最大，因此在加工過程中可合理調(diào)節(jié)激光能量大小，僅使光斑中心一定范圍內(nèi)的能量密度大于材料的燒蝕閾值，進(jìn)一步縮小飛秒激光的加工區(qū)域，最后整個(gè)加工區(qū)域被限制在能量密度高于燒蝕閾值的區(qū)域(而非整個(gè)激光照射區(qū)域)，實(shí)現(xiàn)極小范圍內(nèi)的精密加工，其去除材料區(qū)域如圖3所示。

圖3 飛秒激光聚焦后去除材料區(qū)域

飛秒激光的光斑直徑經(jīng)過聚焦后可以達(dá)到數(shù)微米以內(nèi)，通過控制激光能量完全可以達(dá)到微米級(jí)甚至納米級(jí)的加工精度。由于受激光脈沖形狀限制，一般激光鉆孔加工的孔呈正錐形，要想實(shí)現(xiàn)圓柱孔或倒錐孔須改變光束的入射姿態(tài)，使進(jìn)入聚焦鏡的入射光束平移?？准庸さ墓鈱W(xué)原理如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上較大深度微小圓柱氣膜孔的高精度加工，須采用具有光束平移功能的旋切掃描裝置。光束掃描裝置原理為基于光線折射實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)和平移，再通過系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)圓孔掃描加工。實(shí)現(xiàn)圓柱孔的常見光束掃描裝置有三種：四光楔光束掃描模塊、道威棱鏡光束掃描模塊和平行平板光束掃描模塊。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用平行平板光束掃描模塊，其原理如圖5所示。

圖5 平行平板光束掃描模塊原理

3 制備大傾角氣膜孔仿真分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上氣膜孔位置具有特定排布的特點(diǎn)，葉片表面多為曲面結(jié)構(gòu)，不同位置氣膜孔的傾角角度有很大差異。在加工過程中，大多數(shù)氣膜孔采用相同加工參數(shù)和加工環(huán)境，但加工出的氣膜孔內(nèi)壁質(zhì)量卻不一致，初步分析是由不同氣膜孔的不同傾角角度導(dǎo)致(見圖6)。

對(duì)于大傾角氣膜孔入口處下方向孔壁產(chǎn)生的溝槽，主要認(rèn)為是由飛秒激光的離焦加工和斜孔入口材料分布不均導(dǎo)致。

(a)直孔孔壁

3.1 飛秒激光離焦

飛秒激光加工通過聚焦鏡將激光光束聚焦，利用聚焦后的激光能量對(duì)材料進(jìn)行加工。在光束加工平面，飛秒激光的聚焦能量最大，加工能力最強(qiáng)。而飛秒激光屬于高斯光束，其能量密度也呈高斯分布，因此在光束加工平面的空間附近，飛秒激光能量為高斯分布，所以光束加工平面的空間附近仍具有一定的加工能力。

高斯光束橫向能量分布可表示為

(3)

式中，F(xiàn)0為光束中心能量密度；r為到光束中心的距離；w為高斯光束光斑尺寸，可表示為

(4)

式中，z為光束的傳播距離；zR為瑞利長(zhǎng)度。

在垂直于光軸方向任意截面的光強(qiáng)分布表達(dá)式為

(5)

式中，I0為峰值光強(qiáng)。

激光能量密度和激光強(qiáng)度關(guān)系為

F=Iτ

(6)

根據(jù)以上數(shù)學(xué)表達(dá)式，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中，模擬功率10W時(shí)激光能量密度的變化和分布，可得激光能量沿z軸傳播方向光束能量密度變化以及分別在離焦1mm，2mm和3mm處的橫向能量密度分布(見圖7)。

根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，光軸中心處能量密度沿著光束傳播方向不斷衰減，距離焦點(diǎn)1mm，2mm，3mm的位置，能量密度約為4.2J/cm2，2.6J/cm2，1.58J/cm2。

葉片材料為鎳基高溫合金，飛秒激光去除鎳基高溫合金的損傷閾值分為兩種：熱熔性損傷閾值與非熱熔性損傷閾值。當(dāng)激光能量密度達(dá)到一定值時(shí)，激光加工區(qū)域無(wú)重鑄融化現(xiàn)象，表現(xiàn)為非熱熔損傷形貌，屬于冷加工，此時(shí)能量密度臨界值為非熱熔性損傷閾值[15]。激光能量密度繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到另一臨界值時(shí)，加工區(qū)域開始出現(xiàn)融化燒蝕現(xiàn)象，此時(shí)臨界值稱為熱熔性損傷閾值。鎳基高溫合金的兩種單脈沖損傷閾值分別為0.23J/cm2，1.21J/cm2；多脈沖累積系數(shù)為0.9，0.92。

(a)激光能量沿z軸的變化趨勢(shì)

多脈沖損傷閾值可以表示為[16]

Fth(N)=Fth(1)NS-1

(7)

式中，F(xiàn)th(1)為單脈沖損傷閾值；N為脈沖個(gè)數(shù)；S為多脈沖累積系數(shù)。

將上述數(shù)據(jù)代入式(5)，可以得到多脈沖損傷閾值和脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系(見圖8)。

圖8 脈沖個(gè)數(shù)和損傷閾值關(guān)系

由圖可得，隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，損傷閾值趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.58J/cm2。根據(jù)對(duì)激光光束能量的仿真計(jì)算，并結(jié)合鎳基高溫合金的損傷閾值可以發(fā)現(xiàn)，在距離焦點(diǎn)平面1mm，2mm，3mm處，激光光斑能量密度的面積超過損傷閾值的面積比例為100%，76.1%，49.6%。由此可以發(fā)現(xiàn)，即使在距離焦平面3mm處的激光能量依然可以對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行離焦加工；在距離焦點(diǎn)1mm內(nèi)，激光能量密度遠(yuǎn)大于損傷閾值，其離焦加工的效果更加明顯。

3.2 材料分布不均

在大傾角情況下，氣膜孔入口處的材料分布不均，入口處上方向(即位于光束加工平面上方)的材料可以依靠飛秒激光的離焦加工被去除，而入口處下方需要加工的材料少，仍具有加工能力的激光光束能量被消耗，直接射在入口處下方的孔壁上。隨著加工持續(xù)進(jìn)行，光束加工平面下移，當(dāng)移至入口處下方向時(shí)，孔壁仍被繼續(xù)加工，導(dǎo)致加工過量，孔壁被擊傷而產(chǎn)生溝槽。加工平面繼續(xù)下移經(jīng)過入口處一段距離后，加工狀態(tài)與加工正常平孔一致。產(chǎn)生溝槽缺陷的整個(gè)過程可以理解為在加工開始的一段時(shí)間內(nèi)，由于傾角角度大，入口處上方多余的材料充當(dāng)了防護(hù)材料，防止孔壁被激光離焦加工，下方?jīng)]有材料充當(dāng)防護(hù)，孔壁被激光離焦加工，導(dǎo)致加工過量。在加工平孔的過程中，由于孔的入口處始終保持水平，孔壁各個(gè)方向被加工的程度始終保持一致，沒有產(chǎn)生過量加工。

圖9a為加工平孔的示意圖，孔口材料分布均勻；圖9b為有一定傾角的孔加工，入口上方的材料多于下方，因此對(duì)下方的孔壁加工過量，導(dǎo)致產(chǎn)生溝槽；圖9c的傾角增大，其材料分布不均程度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致加工過量的情況更加嚴(yán)重，產(chǎn)生的溝槽更多。

(a)平孔加工 (b)有一定傾角的孔加工 (c)更大傾角的孔加工圖9 大傾角氣膜孔加工

4 制備大傾角氣膜孔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用飛秒激光加工設(shè)備分別加工30°，45°，60°三種不同傾角的氣膜孔，將樣品磨開后用金相顯微鏡觀察內(nèi)壁形貌(見圖10)，加工過程中采用同軸吹氣及時(shí)排出殘?jiān)?。為了保證實(shí)驗(yàn)效果與實(shí)際加工葉片盡可能一致，使用正式葉片切割后剩余的殘片進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)。光學(xué)加工頭的結(jié)構(gòu)如圖11所示，激光器具體參數(shù)如表1所示，具體加工參數(shù)如表2所示。

圖10 螺旋加工

圖11 光學(xué)加工頭結(jié)構(gòu)

表1 激光器參數(shù)表

表2 加工參數(shù)表

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用西安中科微精光子制造科技有限公司提供的五軸超快激光微加工設(shè)備，依靠加工設(shè)備中的光學(xué)加工頭實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描軌跡的控制，達(dá)到螺旋加工目的。光學(xué)加工頭由三部分構(gòu)成：光楔組、光學(xué)平板和聚焦系統(tǒng)。激光光束通過光楔組后和中心軸產(chǎn)生一個(gè)偏角，偏角角度為光楔組的合成角度，光束經(jīng)過光學(xué)平板后會(huì)水平偏離中心軸一段距離(光束始終在一個(gè)平面內(nèi)傳輸)。該模塊配合聚焦系統(tǒng)使用時(shí)會(huì)使光束聚到偏離光軸一微小距離的焦面上，光楔組和光學(xué)平板同時(shí)進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，激光光束在焦面上形成螺旋軌跡。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)研究了三種氣膜孔傾角角度對(duì)飛秒激光加工質(zhì)量的影響。打孔完成后將材料縱向磨開，使用金相顯微鏡對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，孔壁出口和中部的質(zhì)量無(wú)明顯缺陷，主要缺陷是入口處下方存在溝槽，不加傾角打孔的孔壁光滑，幾乎沒有溝槽產(chǎn)生。隨著氣膜孔傾角的增加，入口處下方的溝槽明顯增加，角度增加至60°時(shí)，產(chǎn)生了大量的溝槽，入口處的孔壁質(zhì)量明顯下降。將氣膜孔入口處沿水平方向鑲樣后打磨，檢測(cè)其溝槽深度(見圖12)，在傾角分別為60°，45°，30°時(shí)，孔壁溝槽的最大深度約為11.05μm，7.71μm，7.41μm。

(a)60°孔壁截面

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)得出，隨著氣膜孔傾角角度的增大，其入口處的溝槽明顯增多，且溝槽主要集中在入口處的下方向，入口處下方孔壁橫截面的粗糙程度隨著傾角的增加而增加，孔壁其他位置質(zhì)量良好，無(wú)溝槽產(chǎn)生，而加工平孔時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)溝槽情況。

4.4 實(shí)驗(yàn)工藝優(yōu)化

針對(duì)產(chǎn)生溝槽的原因，提出相應(yīng)的改善方法。入口處下方產(chǎn)生問題主要是因材料分布不均所導(dǎo)致的上下方被加工程度不一致，并且產(chǎn)生的溝槽也主要集中在入口處，未延伸到孔壁中部。對(duì)此提出一種表面涂層防護(hù)的加工方法，在材料表面上涂抹一定厚度的防護(hù)材料，待涂層凝固后進(jìn)行加工，加工完成后再清理涂層，從而達(dá)到減少孔壁溝槽目的。飛秒激光與金屬作用時(shí)，金屬內(nèi)部大部分自由電子的自由能低，電子吸收能量后電離程度低，以離子爆炸與液相爆炸混合去除方式導(dǎo)致孔口容易形成液相爆炸缺陷。當(dāng)表面涂敷后，飛秒激光首先與涂敷材料作用，金屬受熱后自由電子活躍程度高，離子爆炸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，避免了上述缺陷，也可改善孔口質(zhì)量。

涂層防護(hù)及孔壁形貌見圖13，使用相同工藝參數(shù)進(jìn)行加工，加工完成后檢測(cè)孔壁質(zhì)量，其下方向入口處的放大形貌見圖13b所示，孔壁橫截面如圖13c。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，入口處下方向的溝槽明顯減少，氣膜孔孔壁橫截面的缺口最大不超過2.54μm，相對(duì)于未使用涂層防護(hù)的孔壁缺口可達(dá)10μm以上，有明顯改善。并且其余方向的孔壁經(jīng)過檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)缺陷，證明了在材料表面涂抹一定厚度的涂層可以有效減少孔壁溝槽，提升孔壁質(zhì)量。

(a)涂層防護(hù)

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在使用飛秒激光加工不同傾角的氣膜孔時(shí)，孔壁入口下方會(huì)出現(xiàn)溝槽，降低孔壁質(zhì)量。隨著傾角角度的增加，溝槽現(xiàn)象越嚴(yán)重，當(dāng)傾角為30°時(shí)，最大溝槽深度約為7.41μm；傾角增加至60°時(shí)，深度增加到11.05μm。且溝槽只存在于入口下方向處，孔壁其余位置形貌完好，不受傾角角度的影響。

(2)溝槽產(chǎn)生主要原因是飛秒激光超強(qiáng)的離焦加工能力和孔口材料分布不均。飛秒激光沿傳播方向一定距離內(nèi)，仍然可以保持較高的能量密度，激光功率10W，距離焦點(diǎn)1mm，2mm，3mm處的光斑能量密度的面積超過鎳基高溫合金燒蝕閾值的面積，分別達(dá)到100%，76.1%，49.6%，離焦加工效應(yīng)明顯。由于傾角角度增大，材料在入口處分布不均，上方向材料多，下方向材料少，飛秒激光離焦加工導(dǎo)致下方向加工過量。

(3)通過實(shí)驗(yàn)證明了在材料表面涂抹一定厚度的防護(hù)材料可以明顯減少孔壁溝槽，且溝槽深度可以減小至2.54μm，提高了孔壁質(zhì)量。