導(dǎo)讀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航天器的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)于提升其性能起著決定性作用，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備高推重比、低耗油率等特點(diǎn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的提高，鎳基合金以其出色的耐高溫腐蝕性、抗氧化性、抗蠕變性和強(qiáng)度也成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的首選材料。然而，僅依賴材料特性仍難以完全抵御高溫燃?xì)鈱?duì)結(jié)構(gòu)材料的損害，還需要在其表面加工出氣膜孔，利用氣膜孔冷卻降低其表面溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣速度和使用壽命。目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的加工制造中，大多仍然基于機(jī)械加工、電火花加工和電液束加工等傳統(tǒng)的加工方式，然而，這些傳統(tǒng)工藝存在一些不足和缺陷。激光加工技術(shù)利用激光束短時(shí)高能量的特性，使其與材料相互作用達(dá)到加工的目的，具有高效、高質(zhì)、可控、無(wú)污染的特性。且隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，皮秒、飛秒等超快激光憑借超短的脈寬，越來(lái)越適用于耐高溫材料的微孔加工。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2葉片氣膜孔冷卻示意圖

研究背景

激光加工大深徑比微孔時(shí)，孔型的錐度調(diào)控一直是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者所關(guān)注的核心問(wèn)題。這是因?yàn)榧す獾哪芰砍矢咚狗植迹す夤獍咧虚g能量大，四周能量小，在加工微孔時(shí)，孔中心材料去除速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍材料去除速度，因此形成一定的錐度，隨著孔深的增加，大量的激光能量被孔壁反射，材料無(wú)法去除，微孔的錐度持續(xù)增大直到達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)氣膜孔孔型錐度控制進(jìn)行了深入的分析和研究，最終得出結(jié)論，采用工藝參數(shù)優(yōu)化和多步法鉆孔的激光鉆孔方法可以有效降低微孔的錐度，但不能實(shí)現(xiàn)任意錐度的微孔加工，為了得到任意錐度的微孔形貌，需要改變激光光軸與材料的相對(duì)角度，使激光能量直接作用到微孔側(cè)壁，從而進(jìn)一步改善錐度。目前傾斜激光入射的加工方法主要有兩種，即傾斜工件加工和傾斜光束加工。針對(duì)鎳基高溫合金材料微孔加工，采用光束與工件傾斜一定角度旋轉(zhuǎn)的方法可以進(jìn)行良好的錐度調(diào)控，但激光參數(shù)仍然會(huì)對(duì)孔的形貌產(chǎn)生影響。

圖3 傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔示意圖

圖4 傾斜激光旋轉(zhuǎn)鉆孔示意圖

主要內(nèi)容

為了全面徹底地解決微孔加工中的錐度問(wèn)題，本文基于傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔的工藝方法，首先探究了飛秒激光離焦量與微孔形貌的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著激光焦點(diǎn)從工件表面下方逐漸移動(dòng)到上方時(shí)，微孔的錐度由-0.32°增大到3.41°，微孔的出口孔徑顯著降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)離焦量為負(fù)時(shí)，激光焦點(diǎn)靠近出口位置，激光峰值功率高，材料去除率也高，因此出口孔徑較大。隨著激光焦點(diǎn)的不斷上移，出口處的激光能量逐漸降低，導(dǎo)致出口孔徑快速減小，孔的錐度也快速增大，同時(shí)，由于激光焦點(diǎn)在工件表面之上，激光處于發(fā)散狀態(tài)，導(dǎo)致微孔出口的邊緣輪廓質(zhì)量下降，出現(xiàn)鋸齒狀形貌，影響了出口圓度。

圖5 不同離焦量下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

接著探究了飛秒激光重復(fù)頻率與微孔形貌的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)激光重復(fù)頻率從10 kHZ增大到100 kHZ后，微孔的入口直徑在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，變化不大，但微孔的出口直徑逐漸增大直到達(dá)到飽和。這是因?yàn)楫?dāng)重復(fù)頻率較低時(shí)，激光的脈沖重疊率較低，相同加工時(shí)間內(nèi)單位面積上材料吸收的激光能量較低，導(dǎo)致出口直徑較小。隨著重復(fù)頻率的增加，激光的平均功率和脈沖重疊率增加，材料吸收的激光能量增大，微孔出口直徑顯著增大，從而導(dǎo)致孔的整體錐度降低。當(dāng)重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)，微孔的出口圓度最好，基本沒(méi)有鋸齒形結(jié)構(gòu)和燒蝕痕跡。隨著重復(fù)頻率的增加，微孔的出入口都出現(xiàn)了不同程度的重鑄層和激光熱影響區(qū)，這是因?yàn)楫?dāng)單脈沖能量不變時(shí)，重復(fù)頻率的增加使激光的脈沖重疊率增加，單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量的增加，材料的燒蝕閾值降低，導(dǎo)致熱積累現(xiàn)象更加顯著。

圖6 不同重復(fù)頻率下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

之后探究了飛秒激光掃描半徑與微孔形貌的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著掃描半徑的不斷增大，孔出入口直徑也不斷增大，這是由于工件傾斜加工，激光掃描平面與工件加工平面存在夾角，設(shè)置的掃描半徑投影到加工平面上會(huì)進(jìn)一步增大，激光掃描半徑與孔的出入口直徑大約成線性相關(guān)，比例系數(shù)與機(jī)床A軸偏擺角度有關(guān)。不同的掃描半徑對(duì)孔錐度的影響不大，該實(shí)驗(yàn)證明了通過(guò)改變激光掃描半徑能實(shí)現(xiàn)任意孔徑的無(wú)錐度微孔加工。

圖7 不同掃描半徑下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

然后探究了飛秒激光光軸偏移量與微孔形貌的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光光軸與工件旋轉(zhuǎn)中心偏置量在10 mm以內(nèi)時(shí)，孔的出入口直徑幾乎不變，當(dāng)偏置量大于10 mm且不斷增大時(shí)，孔的入口直徑顯著增大，出口直徑也有所增加，這是由于工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，激光與工件旋轉(zhuǎn)軸偏置量的增加導(dǎo)致激光在工件上的加工區(qū)域增加，入口處材料被大面積去除，而激光掃描面積的增加也導(dǎo)致了激光功率的分散，被激光反復(fù)掃描的中心區(qū)域能量集中，激光只掃描一遍的四周區(qū)域激光能量無(wú)法去除更多材料，從而導(dǎo)致孔錐度的不斷增大。因此，在進(jìn)行飛秒激光鎳基合金單孔加工實(shí)驗(yàn)中，需要控制激光光軸與工件旋轉(zhuǎn)中心偏置量在10 mm以下，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)錐度孔加工。

圖8 不同X軸移動(dòng)量下微孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔口直徑；(d)錐度

最后，針對(duì)6 mm鎳基合金的深微孔加工，在前期工藝參數(shù)探究的基礎(chǔ)上，采用激光縱向進(jìn)給的加工工藝，通過(guò)改變激光焦點(diǎn)位置來(lái)調(diào)整激光能量分布，使激光能量集中部分能直接作用到材料待加工位置，使激光鉆孔深度和加工效率顯著提高。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用旁軸吹氣裝置，引入吹氣輔助工藝。在激光對(duì)工件材料進(jìn)行燒蝕打孔的過(guò)程中，旁軸吹氣裝置將空氣壓縮并通過(guò)噴嘴噴在工件上的待加工微孔位置處。從而將激光打孔過(guò)程中的廢屑吹出，改善排屑條件，提高激光的加工效率，有利于深孔加工。同時(shí)室溫的壓縮空氣持續(xù)流動(dòng)，也可以降低待加工微孔的加工溫度，減小激光的熱影響，提高微孔的加工質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)了6 mm厚鎳基合金材料的無(wú)錐度高質(zhì)量單孔加工。

圖9 吹氣輔助加工圖。(a)示意圖；(b)實(shí)物圖

圖10 6 mm通孔加工結(jié)果。(a)入口；(b)出口；(c)孔形貌CT圖

結(jié)論與展望

文中針對(duì)鎳基合金材料深微孔加工的錐度問(wèn)題，基于傾斜工件旋轉(zhuǎn)鉆孔的激光加工工藝，首先闡述了加工方法和實(shí)驗(yàn)原理，然后在鎳基合金材料上開(kāi)展了無(wú)錐度單孔加工實(shí)驗(yàn)，采用控制變量法探究了不同激光參數(shù)對(duì)微孔形貌的影響規(guī)律。

當(dāng)激光離焦量由正離焦逐漸變化到負(fù)離焦時(shí)，微孔的入口直徑基本不變，出口直徑明顯增大。當(dāng)激光重復(fù)頻率較小時(shí)，微孔的出口直徑較小，錐度較大，但較大的重復(fù)頻率會(huì)使激光的熱效應(yīng)增加，影響微孔形貌質(zhì)量。傾斜工件旋轉(zhuǎn)加工通孔時(shí)的孔徑大小主要取決于激光振鏡掃描填充圓的直徑。隨著掃描半徑的不斷增大，孔出入口直徑也不斷增大，但孔的錐度基本不變。激光與工件旋轉(zhuǎn)軸的偏置量越大，得到孔的出入口直徑也會(huì)越大，但是同時(shí)孔的錐度也在變大。

針對(duì)6 mm鎳基合金直微孔加工，采用激光縱向進(jìn)給的加工工藝，該方案主要分為鉆孔、擴(kuò)孔、修孔三個(gè)過(guò)程。同時(shí)要采用吹氣輔助的工藝方案，提高加工效率和加工能力，選擇合適的傾斜角度后，成功在6 mm厚的鎳基合金材料上加工出了錐度為0.14°的大深徑比微孔。