利用具有较大参数操作范围的飞秒激光在镍基超合金中制备微孔及其冷却特性研究

《Optics & Laser Technology》：Fabrication and cooling characteristics of microholes in nickel-based superalloys by femtosecond laser with large parameter-operating window

探究了激光参数对镍基合金微孔锥角及表面形貌的影响，发现锥角4°-8°时冷却效率达98%，拓宽了飞秒激光加工航空发动机冷却孔的工艺窗口。

　　

袁彦萍|顾宇涵|李东方|张凯虎|韩维娜

北京工业大学物理与光电工程学院激光工程研究所，北京 100124，中国

摘要

飞机发动机中的涡轮叶片在极高的温度下工作，入口温度可达到2200 K。为了降低叶片温度并延长使用寿命，通常会设计薄膜冷却孔。然而，传统的微钻技术难以满足现代飞机发动机对高精度的要求。飞秒激光因其超高精度和极小的热影响区而成为加工薄膜冷却孔的理想方法。然而，使用飞秒激光加工镍基合金的薄膜冷却孔对激光参数有严格的要求，这导致可选择的激光参数范围较窄。此外，在实际应用中研究激光加工的薄膜冷却孔的冷却特性也非常重要。本研究探讨了激光参数对镍基超合金中微孔锥度和表面形态的影响。基于飞秒激光制备的微孔的实际形态，进一步研究了孔倾斜度和锥度对其冷却特性的影响。结果表明，通过优化工艺参数可以有效地控制表面形态和锥度。在具有明确进出口形态的微孔中，锥度范围为4°至8°。锥度在4°至8°之间的空气薄膜孔的冷却效率相似，孔出口处的冷却效率可达98%，涵盖了我们实际制造的参数范围。这一发现表明，飞秒激光加工空气薄膜冷却孔的工艺窗口得到了扩展，为选择激光加工参数提供了更大的灵活性。

引言

飞机发动机常被视为飞机的“心脏”，被誉为现代工业的“皇冠明珠”和“工业之花”。面对极端的温度波动和苛刻的性能要求，采用了先进的材料科学和工程技术，如镍基单晶超合金[1]和先进的制造技术[2]，以确保发动机在高速运行时的稳定性和可靠性。发动机热段中涡轮叶片的入口温度可高达2200 K，大约是镍基超合金熔点的30%。为了有效降低合金叶片的温度并防止过热，通常会在叶片表面设计薄膜冷却孔[[3], [4], [5]]。这些冷却孔引入了一层保护性的冷却空气，有效隔离了高温气流对叶片的直接冲击[[6], [7], [8]]。传统的机械加工由于工具限制，往往难以满足微结构制造的精度要求[[9], [10], [11], [12]]。尽管电火花加工因其高效性和适合大规模工业生产而被广泛使用，但工件表面产生的再铸层和微裂纹可能会影响发动机的寿命[13]。电化学加工可以提高加工质量，但效率相对较低[14]。与传统加工方法相比，飞秒激光技术由于其超高强度、超短脉冲和精度[[15], [16], [17], [18]]，在微制造领域具有独特的优势。飞秒激光加工技术能够在微观尺度上实现高精度加工，同时避免热传导和损伤，使其成为制造飞机发动机中薄膜冷却孔的理想选择[[19], [20], [21]]。然而，在不适当的加工参数下，无法成功制造出理想的薄膜冷却孔。因此，仔细控制和不断优化参数范围对于实现成功加工至关重要。

Dasdk等人[22]对镍基合金微孔的飞秒激光加工进行了实验研究，发现飞秒激光加工的材料没有出现热损伤。Feng等人[23]将飞秒激光加工应用于镍基超合金，实验结果表明加工区域附近没有传统加工缺陷。Zhang等人[24]观察到，在飞秒激光加工过程中高激光功率可能会引起微观结构变化，并导致碎片、微孔和微裂纹等缺陷的形成。Wang等人[25]研究了将飞秒激光的偏振从线性改为圆形如何通过减少718镍基合金穿孔研究中的微孔出口不规则缺陷来提高加工质量。Chen等人[26]提出了一种飞秒激光逐层周向钻孔方法，发现这种方法可以有效减少微孔的锥度并提高其圆度。Zhang等人[25]开发了一种调整加工焦平面的方法，实现了镍基合金上锥度高达0.8°的近乎圆柱形的微孔。Li等人[19]采用了两步螺旋钻孔方法与飞秒激光结合，获得了纳米级粗糙度的孔壁表面。Jiang等人[27]结合了纳秒激光的效率和飞秒激光的精度，制造出了没有再铸层或微裂纹的薄膜冷却孔。然而，使用飞秒激光加工镍基合金的薄膜冷却孔对激光参数有严格的要求，这导致可选择的激光参数范围较窄。此外，在实际应用中，研究激光加工的薄膜冷却孔的冷却特性也非常重要。

本研究探讨了不同飞秒激光加工参数对镍基合金中微孔锥度和表面形态的影响。它还评估了飞秒激光钻孔的锥度对其薄膜冷却效果的影响。结果表明，当微孔的锥度在4°至8°范围内（在本研究中的大多数激光参数下均可实现）时，薄膜冷却孔的冷却效率保持一致，孔出口处的冷却效率可达98%。这一结果显著扩展了飞秒激光的加工窗口，为设计和优化飞机发动机涡轮叶片中飞秒激光加工的薄膜冷却孔提供了见解。

实验部分

实验

本研究选择了一种镍基单晶超合金作为实验材料，尺寸为10 mm × 10 mm × 1 mm。加工前，样品用无水乙醇清洗并自然风干。然后将样品固定在计算机控制的五轴运动系统上，该系统与激光系统相连。使用的飞秒激光（PHAROS, LIGHT CONVERSION, LT）中心波长为1030 nm，最大输出功率为20 W，

激光参数对微孔的影响

研究表明，使用不同的填充方法进行激光加工会显著影响微孔的质量。在飞秒激光微孔加工中，常用的加工策略包括同心圆形填充扫描、Z形填充扫描和弓形填充扫描。本研究中，扫描路径图示见图2(a-c)。在重复频率为100 kHz、激光功率为8 W、扫描速度为100 mm/s和进给速度为2 μm的条件下，研究了

结论

本研究探讨了飞秒激光工艺参数（进给速度、功率、重复频率和扫描速度）对镍基超合金中微孔锥度和表面形态的影响。基于飞秒激光制备的微孔的实际形态，进一步研究了孔倾斜度和锥度对其冷却特性的影响。实验结果表明：1) 通过适当调整工艺参数，可以

作者贡献声明

袁彦萍：概念设计。顾宇涵：概念设计。李东方：概念设计。张凯虎：概念设计。韩维娜：概念设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：52175374、52350362、52005041和51905531）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4604600）的财政支持。