带热障涂层的高温合金飞秒激光旋切打孔

发布时间：2020-02-13 11:14

【摘要】：针对燃气轮机叶片气膜孔传统加工方法存在的缺陷,采用飞秒激光旋切带热障涂层的高温合金加工气膜孔,获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔。结合飞秒激光加工过程中材料的去除机理,分析得出:等角速度旋切造成的孔锥度较大;材料的去除过程为绝热冷却过程,即与周边材料几乎没有热交换,未发生基体材料熔化后重新凝固形成重铸层的过程。然而,在孔的入口发现黑色附着物,随着加工次数的增加,逐步覆盖整个入口边缘的部分。试验过程中可收集到含有镍、锆、氧等元素的纳米颗粒,证明被去除的材料通过液相爆破的方式以纳米颗粒的形式快速离开基体,从而解释了加工后在孔壁未发现大量附着残渣粘连的原因。相对于低速单层旋切,高速多层旋切加工效率更高。
【图文】：

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研究，分析了工艺参数对孔形的影响，并结合飞秒激光加工过程中的材料去除机理对加工得到的孔进行了分析。２试验方法２．１材料试验过程中采用带热障涂层的高温合金来模拟燃气轮机叶片，基体采用镍基高温合金ＩＮ７３８，热障涂层采用氧化钇质量分数为７％的氧化钇增强氧化锆粉末，采用大气等离子喷涂方式喷涂，涂覆厚度约为４００μｍ，采用金属合金作为中间连接层，连接层厚度约为１００μｍ，喷涂后在真空环境内加热到１０８０℃后保温４ｈ进行热处理。２．２试验装置及方法图１飞秒激光加工装置示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅ激光器使用美国相干公司（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ．）生产的Ｌｉｂｒａ系列商用飞秒激光器，最大输出功率为４Ｗ，脉冲宽度为５０ｆｓ，脉冲频率为１ｋＨｚ。试验光路如图１所示。激光经扩束后光斑直径加倍，由焦距为１０００ｍｍ的聚焦透镜聚焦到试样，电动旋转台旋转试样来实现环切，通过Ｘ－Ｙ－Ｚ三轴平移台实现直线移动。光路中，使用扩束装置可以扩大光斑直径，改变光斑能量分布，并压缩光束的发散角［１７］。试验过程中采用低速［４５（°）／ｓ］单层旋切和高速［９０（°）／ｓ］多层旋切两种加工方式，前者共加工一次，去０１０２０１３－２

锥度,孔壁,不同参数

因而加工效率较高［１８－１９］。由图２（ｂ）中可以看出，当孔深度约为５００μｍ，不同加工方式得到的结果并没有较大区别，这是由于这个深度范围内被去除的材料主要是作为热障涂层的陶瓷材料和作为中间连接层的金属合金；但当孔深度超过５００μｍ时，不同加工方式得到的孔深度开始有了较大的差别，分析认为这是由于激光在加工完表面涂覆层和中间连接层时，已开始加工基体金属。而激光加工不同加工材料的效率在加工孔深度方面的影响，需要进一步研究探讨。此外，由图３可见，不同的加工方式和不同的加工参数，孔壁锥度并没有明显区别。分析原因认为，锥度主要与聚焦光斑的能量分布有关，当采用旋切方式进行加工时，锥度还与激光光束同材料的相对角度相关。在相关的工艺试验中已经证明，，通过控制二者的相对角度，可以有效控制旋切加工过程中孔的锥度［２０］。图２不同参数下加工得到的结果。（ａ）孔入口直径；（ｂ）盲孔深度Ｆｉｇ．２Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒｅｐａｎｎｉｎｇｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．（ａ）Ｅｎｔｒａｎｃｅｄｉａｍｅｔｅｒ；（ｂ）ｄｅｐｔｈｏｆｂｌｉｎｄｈｏｌｅ图３不同参数下加工得到的孔壁锥度Ｆｉｇ．３Ｔａｐｅｒｓｏｆｔｈｅｗａｌｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｒｅｐａｎｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ通过优化工艺参数，使用高速旋切去除热障涂层和中间连接层，并且加工过程中加大同心圆的密度，得到的加工孔如图４所示。由图４（ａ）可见，在孔入口处存在附着残渣；由图４（ｂ）及４（ｄ）可见，在涂覆层与连接层均未发现裂纹；虽然连接层同金属基体之间由于喷涂

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