一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，用超快激光預(yù)先在陶瓷層上加工一個與氣膜冷卻孔傾斜方向相反并成一定夾角的小孔，再用毫秒激光加工氣膜冷卻孔，預(yù)先用皮秒激光在渦輪葉片陶瓷層上加工一個小孔，用皮秒激光加工后的小孔改變了孔前沿尖銳的形狀，使得小孔變得圓滑光整，避免了凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣在加工渦輪葉片基體過程中，更加有利于液態(tài)金屬的熔化噴射出去而不造成陶瓷層和渦輪葉片基體之間的分層開裂等缺陷。
【專利說明】一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，主要用于帶熱障涂層渦輪葉片氣膜冷卻孔的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]對于帶熱障涂層的渦輪葉片氣膜冷卻孔的激光加工而言，層與層之間的分層開裂(delamination)是激光在帶涂層基體上打孔的主要問題。“分層開裂”現(xiàn)象主要產(chǎn)生于粘結(jié)層和基體界面(BC/substrate)處、陶瓷層和粘結(jié)層界面(TC/BC)處。在服役時候，這種“分層開裂”容易向其他部位蔓延，將會導(dǎo)致涂層的過早失效，分層開裂成為激光在帶熱障涂層渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔的主要障礙。分層開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)是多方面因素造成的，首先，陶瓷材料的熔點遠(yuǎn)大于金屬基體的熔點，加之陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此，對于傾斜角度較大的小孔加工，在激光一次加工陶瓷與基體過程中，陶瓷部分的小孔較渦輪葉片基體部分的小孔去除較少的材料而形成凸起現(xiàn)象(undercutting),凸起現(xiàn)象十分不利于熔化金屬的噴射，能使熔化金屬產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力作用于陶瓷層，使其撕脫產(chǎn)生分層開裂現(xiàn)象；其次，渦輪葉片氣膜冷卻孔與表面一般都有一定的角度，氣膜冷卻孔的傾斜角度越大，氣膜冷卻孔的前沿(leading edge)出口處越尖銳，加之斜孔形狀的不對稱性，大部分高溫高壓熔融金屬從此處噴射出來，高溫、高速、熔融金屬作用于孔內(nèi)壁并產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力又分為正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，正應(yīng)力以力矩的形式作用于斜孔的前沿界面處，使凸起的陶瓷層有扭轉(zhuǎn)的趨勢，最終出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象。剪切應(yīng)力直接作用于孔壁的陶瓷層和渦輪葉片基體，由于陶瓷材料彈性模量較小，受到相同剪切應(yīng)力作用時具有較小的變形，此時由于陶瓷層和渦輪葉片基體以及粘結(jié)層之間變形不一致也容易產(chǎn)生分層開裂現(xiàn)象。激光在帶熱障涂層渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔時，如何有效降低熔融噴射產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力是航天制孔領(lǐng)域的一個技術(shù)難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，有效防止毫秒激光在帶熱障涂層渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔時凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低熔化噴射金屬對小孔前沿的沖擊應(yīng)力，保證加工質(zhì)量，提高加工效率，而且可在帶熱障涂層渦輪葉片上加工直徑0.2mm以上氣膜冷卻孔。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，包括以下步驟:
[0006]I)用皮秒激光預(yù)先在渦輪葉片陶瓷層上加工一個與氣膜冷卻孔傾斜方向相反并成90°?100°夾角的小孔，以去除氣膜冷卻孔前沿尖銳部分，具體為:
[0007]①將帶熱障涂層的渦輪葉片固定在皮秒激光和毫秒激光設(shè)備的共用工作臺上，調(diào)節(jié)皮秒激光光路使其皮秒激光的焦點位于渦輪葉片預(yù)打孔位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔的傾斜角度調(diào)整皮秒激光束的傾斜角度，使加工出的小孔7與氣膜冷卻孔8方向相反并成90°?100。的夾角；
[0008]②調(diào)節(jié)皮秒激光參數(shù)為:皮秒激光的脈沖頻率為40?50KHz，皮秒激光的脈沖寬度為IOps?20ps，皮秒激光的平均功率1.5?2J，打開皮秒激光器，在渦輪葉片陶瓷層上加工小孔；
[0009]2)用毫秒激光加工氣膜冷卻孔，具體為；
[0010]①保持渦輪葉片的位置不變，改用毫秒激光進(jìn)行加工，將毫秒激光的光斑定位到預(yù)加工氣膜冷卻孔位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔的傾斜角度調(diào)節(jié)毫秒激光頭的傾斜角度，使毫秒激光頭的傾斜角度與氣膜冷卻孔的傾斜角度相同；
[0011]②調(diào)節(jié)毫秒激光參數(shù):毫秒激光的峰值功率為14?16KW，毫秒激光的脈沖寬度為0.3?0.6ms,毫秒激光的重復(fù)頻率為20?30HZ，施加輔助氣體并調(diào)節(jié)壓力為0.3?
0.5MPa，用毫秒激光直沖式打孔方法加工氣膜冷卻孔直到孔成型。
[0012]本發(fā)明的有益效果:用皮秒激光在渦輪葉片陶瓷層上加工一個小孔，用皮秒激光加工后的小孔改變了孔前沿尖銳的形狀，使得小孔變得圓滑光整，避免了凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣在加工渦輪葉片基體過程中，更加有利于液態(tài)金屬的熔化噴射出去而不造成陶瓷層和渦輪葉片基體之間的分層開裂等缺陷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為皮秒激光在渦輪葉片陶瓷層上預(yù)先加工小孔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為毫秒激光加工氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0016]參照圖1和圖2，在帶熱障涂層鎳基高溫合金渦輪葉片I上加工直徑為0.3mm、傾斜角度為40°的氣膜冷卻孔8，渦輪葉片I基體厚度2mm，渦輪葉片表面涂有熱障涂層，熱障涂層由陶瓷層3和粘結(jié)層2組成，陶瓷層3的厚度約為0.3mm，粘結(jié)層2厚度約為0.1mm，粘結(jié)層2材料為NiCoCrAlY,陶瓷層3材料為6% -8% Y2O3的ZrO2,渦輪葉片I基體材料為鎳基高溫合金，型號為Inconel718。
[0017]一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，包括以下步驟:
[0018]I)用超快激光預(yù)先在渦輪葉片陶瓷層上加工一個與氣膜冷卻孔傾斜方向相反并成90°?100°夾角的小孔，以去除氣膜冷卻孔前沿尖銳部分，具體為:
[0019]①將帶熱障涂層的渦輪葉片I固定在皮秒激光4和毫秒激光9設(shè)備的共用工作臺上，調(diào)節(jié)皮秒激光光路使其皮秒激光的焦點位于渦輪葉片I預(yù)打孔位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔8的傾斜角度調(diào)節(jié)皮秒激光4的傾斜角度，使加工出的小孔7與氣膜冷卻孔8方向相反并成90°?100°的夾角，這樣，加工出的氣膜冷卻孔8前沿較為圓整，無尖銳形狀，可以避免凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生，有利于熔融金屬的噴出；
[0020]②為了盡可能地提高加工效率，應(yīng)當(dāng)使皮秒激光4有盡可能大的能量密度，因此調(diào)節(jié)皮秒激光參數(shù):皮秒激光脈沖頻率為50KHz，皮秒激光的脈沖寬度為10ps，皮秒激光的平均功率2J，打開皮秒激光器在陶瓷層3上加工小孔7 ；
[0021]2)用毫秒激光加工氣膜冷卻孔，具體為:[0022]①保持渦輪葉片I的位置不變，改用毫秒激光9進(jìn)行加工，將毫秒激光9的光斑定位到預(yù)加工氣膜冷卻孔8位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔8的傾斜角度調(diào)節(jié)毫秒激光頭的傾斜角度，使毫秒激光頭9的傾斜角度與氣膜冷卻孔8的傾斜角度相同；
[0023]②綜合考慮加工質(zhì)量和加工效率，調(diào)節(jié)最佳的毫秒激光9加工參數(shù)為:毫秒激光9的峰值功率為15KW，毫秒激光9的脈沖寬度為0.3ms，毫秒激光9的重復(fù)頻率為20HZ，施加輔助氣體6并調(diào)節(jié)壓力為0.5MPa，用毫秒激光直沖式打孔方法加工氣膜冷卻孔8直到孔成型。
[0024]加工后的小孔周圍涂層表面良好，粘結(jié)層和基體界面(BC/substrate)處、陶瓷層和粘結(jié)層界面(TC/BC)處無分層開裂現(xiàn)象，符合技術(shù)要求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于皮秒激光輔助加工的氣膜冷卻孔制備工藝，其特征在于，包括以下步驟: 1)用皮秒激光預(yù)先在渦輪葉片陶瓷層上加工一個與氣膜冷卻孔傾斜方向相反并成90°?100°夾角的小孔，以去除氣膜冷卻孔前沿尖銳部分，具體為: ①將帶熱障涂層的渦輪葉片固定在皮秒激光和毫秒激光設(shè)備的共用工作臺上，調(diào)節(jié)皮秒激光光路使其皮秒激光的焦點位于渦輪葉片預(yù)打孔位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔的傾斜角度調(diào)整皮秒激光束的傾斜角度，使加工出的小孔(7)與氣膜冷卻孔(8)方向相反并成90°?100。的夾角； ②調(diào)節(jié)皮秒激光參數(shù)為:皮秒激光的脈沖頻率為40?50KHZ，皮秒激光的脈沖寬度為IOps?20ps，皮秒激光的平均功率1.5?2J，打開皮秒激光器，在渦輪葉片陶瓷層上加工小孔； 2)用毫秒激光加工氣膜冷卻孔，具體為； ①保持渦輪葉片的位置不變，改用毫秒激光進(jìn)行加工，將毫秒激光的光斑定位到預(yù)加工氣膜冷卻孔位置處，根據(jù)氣膜冷卻孔的傾斜角度調(diào)節(jié)毫秒激光頭的傾斜角度，使毫秒激光頭的傾斜角度與氣膜冷卻孔的傾斜角度相同； ②調(diào)節(jié)毫秒激光參數(shù):毫秒激光的峰值功率為14?16KW，毫秒激光的脈沖寬度為0.3?0.6ms,毫秒激光的重復(fù)頻率為20?30HZ，施加輔助氣體并調(diào)節(jié)壓力為0.3?0.5MPa，用毫秒激光直沖式打孔方法加工氣膜冷卻孔直到孔成型。
【文檔編號】B23K26/08GK103978314SQ201410213528
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】王恪典, 凡正杰, 梅雪松, 王文君, 段文強(qiáng), 袁新, 高偉芳 申請人:西安交通大學(xué)