一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺的制作方法
【专利摘要】一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，用超快激光预先在陶瓷层上加工一个与气膜冷却孔倾斜方向相反并成一定夹角的小孔，再用毫秒激光加工气膜冷却孔，预先用皮秒激光在涡轮叶片陶瓷层上加工一个小孔，用皮秒激光加工后的小孔改变了孔前沿尖锐的形状，使得小孔变得圆滑光整，避免了凸起现象的产生，这样在加工涡轮叶片基体过程中，更加有利于液态金属的熔化喷射出去而不造成陶瓷层和涡轮叶片基体之间的分层开裂等缺陷。
【专利说明】一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工【技术领域】，具体涉及一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，主要用于带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备。
【背景技术】
[0002]对于带热障涂层的涡轮叶片气膜冷却孔的激光加工而言，层与层之间的分层开裂(delamination)是激光在带涂层基体上打孔的主要问题。“分层开裂”现象主要产生于粘结层和基体界面(BC/substrate)处、陶瓷层和粘结层界面(TC/BC)处。在服役时候，这种“分层开裂”容易向其他部位蔓延，将会导致涂层的过早失效，分层开裂成为激光在带热障涂层涡轮叶片上加工气膜冷却孔的主要障碍。分层开裂现象的出现是多方面因素造成的，首先，陶瓷材料的熔点远大于金属基体的熔点，加之陶瓷的热传导系数较低，因此，对于倾斜角度较大的小孔加工，在激光一次加工陶瓷与基体过程中，陶瓷部分的小孔较涡轮叶片基体部分的小孔去除较少的材料而形成凸起现象(undercutting),凸起现象十分不利于熔化金属的喷射，能使熔化金属产生很大的冲击应力作用于陶瓷层，使其撕脱产生分层开裂现象；其次，涡轮叶片气膜冷却孔与表面一般都有一定的角度，气膜冷却孔的倾斜角度越大，气膜冷却孔的前沿(leading edge)出口处越尖锐，加之斜孔形状的不对称性，大部分高温高压熔融金属从此处喷射出来，高温、高速、熔融金属作用于孔内壁并产生很大的机械应力。机械应力又分为正应力和剪切应力，正应力以力矩的形式作用于斜孔的前沿界面处，使凸起的陶瓷层有扭转的趋势，最终出现分层开裂现象。剪切应力直接作用于孔壁的陶瓷层和涡轮叶片基体，由于陶瓷材料弹性模量较小，受到相同剪切应力作用时具有较小的变形，此时由于陶瓷层和涡轮叶片基体以及粘结层之间变形不一致也容易产生分层开裂现象。激光在带热障涂层涡轮叶片上加工气膜冷却孔时，如何有效降低熔融喷射产生的机械应力是航天制孔领域的一个技术难点。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，有效防止毫秒激光在带热障涂层涡轮叶片上加工气膜冷却孔时凸起现象的产生，降低熔化喷射金属对小孔前沿的冲击应力，保证加工质量，提高加工效率，而且可在带热障涂层涡轮叶片上加工直径0.2mm以上气膜冷却孔。
[0004]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，包括以下步骤:
[0006]I)用皮秒激光预先在涡轮叶片陶瓷层上加工一个与气膜冷却孔倾斜方向相反并成90°?100°夹角的小孔，以去除气膜冷却孔前沿尖锐部分，具体为:
[0007]①将带热障涂层的涡轮叶片固定在皮秒激光和毫秒激光设备的共用工作台上，调节皮秒激光光路使其皮秒激光的焦点位于涡轮叶片预打孔位置处，根据气膜冷却孔的倾斜角度调整皮秒激光束的倾斜角度，使加工出的小孔7与气膜冷却孔8方向相反并成90°?100。的夹角；
[0008]②调节皮秒激光参数为:皮秒激光的脉冲频率为40?50KHz，皮秒激光的脉冲宽度为IOps?20ps，皮秒激光的平均功率1.5?2J，打开皮秒激光器，在涡轮叶片陶瓷层上加工小孔；
[0009]2)用毫秒激光加工气膜冷却孔，具体为；
[0010]①保持涡轮叶片的位置不变，改用毫秒激光进行加工，将毫秒激光的光斑定位到预加工气膜冷却孔位置处，根据气膜冷却孔的倾斜角度调节毫秒激光头的倾斜角度，使毫秒激光头的倾斜角度与气膜冷却孔的倾斜角度相同；
[0011]②调节毫秒激光参数:毫秒激光的峰值功率为14?16KW，毫秒激光的脉冲宽度为0.3?0.6ms,毫秒激光的重复频率为20?30HZ，施加辅助气体并调节压力为0.3?
0.5MPa，用毫秒激光直冲式打孔方法加工气膜冷却孔直到孔成型。
[0012]本发明的有益效果:用皮秒激光在涡轮叶片陶瓷层上加工一个小孔，用皮秒激光加工后的小孔改变了孔前沿尖锐的形状，使得小孔变得圆滑光整，避免了凸起现象的产生，这样在加工涡轮叶片基体过程中，更加有利于液态金属的熔化喷射出去而不造成陶瓷层和涡轮叶片基体之间的分层开裂等缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为皮秒激光在涡轮叶片陶瓷层上预先加工小孔结构示意图。
[0014]图2为毫秒激光加工气膜冷却孔结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0016]参照图1和图2，在带热障涂层镍基高温合金涡轮叶片I上加工直径为0.3mm、倾斜角度为40°的气膜冷却孔8，涡轮叶片I基体厚度2mm，涡轮叶片表面涂有热障涂层，热障涂层由陶瓷层3和粘结层2组成，陶瓷层3的厚度约为0.3mm，粘结层2厚度约为0.1mm，粘结层2材料为NiCoCrAlY,陶瓷层3材料为6% -8% Y2O3的ZrO2,涡轮叶片I基体材料为镍基高温合金，型号为Inconel718。
[0017]一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，包括以下步骤:
[0018]I)用超快激光预先在涡轮叶片陶瓷层上加工一个与气膜冷却孔倾斜方向相反并成90°?100°夹角的小孔，以去除气膜冷却孔前沿尖锐部分，具体为:
[0019]①将带热障涂层的涡轮叶片I固定在皮秒激光4和毫秒激光9设备的共用工作台上，调节皮秒激光光路使其皮秒激光的焦点位于涡轮叶片I预打孔位置处，根据气膜冷却孔8的倾斜角度调节皮秒激光4的倾斜角度，使加工出的小孔7与气膜冷却孔8方向相反并成90°?100°的夹角，这样，加工出的气膜冷却孔8前沿较为圆整，无尖锐形状，可以避免凸起现象的产生，有利于熔融金属的喷出；
[0020]②为了尽可能地提高加工效率，应当使皮秒激光4有尽可能大的能量密度，因此调节皮秒激光参数:皮秒激光脉冲频率为50KHz，皮秒激光的脉冲宽度为10ps，皮秒激光的平均功率2J，打开皮秒激光器在陶瓷层3上加工小孔7 ；
[0021]2)用毫秒激光加工气膜冷却孔，具体为:[0022]①保持涡轮叶片I的位置不变，改用毫秒激光9进行加工，将毫秒激光9的光斑定位到预加工气膜冷却孔8位置处，根据气膜冷却孔8的倾斜角度调节毫秒激光头的倾斜角度，使毫秒激光头9的倾斜角度与气膜冷却孔8的倾斜角度相同；
[0023]②综合考虑加工质量和加工效率，调节最佳的毫秒激光9加工参数为:毫秒激光9的峰值功率为15KW，毫秒激光9的脉冲宽度为0.3ms，毫秒激光9的重复频率为20HZ，施加辅助气体6并调节压力为0.5MPa，用毫秒激光直冲式打孔方法加工气膜冷却孔8直到孔成型。
[0024]加工后的小孔周围涂层表面良好，粘结层和基体界面(BC/substrate)处、陶瓷层和粘结层界面(TC/BC)处无分层开裂现象，符合技术要求。
【权利要求】
1.一种基于皮秒激光辅助加工的气膜冷却孔制备工艺，其特征在于，包括以下步骤: 1)用皮秒激光预先在涡轮叶片陶瓷层上加工一个与气膜冷却孔倾斜方向相反并成90°?100°夹角的小孔，以去除气膜冷却孔前沿尖锐部分，具体为: ①将带热障涂层的涡轮叶片固定在皮秒激光和毫秒激光设备的共用工作台上，调节皮秒激光光路使其皮秒激光的焦点位于涡轮叶片预打孔位置处，根据气膜冷却孔的倾斜角度调整皮秒激光束的倾斜角度，使加工出的小孔(7)与气膜冷却孔(8)方向相反并成90°?100。的夹角； ②调节皮秒激光参数为:皮秒激光的脉冲频率为40?50KHZ，皮秒激光的脉冲宽度为IOps?20ps，皮秒激光的平均功率1.5?2J，打开皮秒激光器，在涡轮叶片陶瓷层上加工小孔； 2)用毫秒激光加工气膜冷却孔，具体为； ①保持涡轮叶片的位置不变，改用毫秒激光进行加工，将毫秒激光的光斑定位到预加工气膜冷却孔位置处，根据气膜冷却孔的倾斜角度调节毫秒激光头的倾斜角度，使毫秒激光头的倾斜角度与气膜冷却孔的倾斜角度相同； ②调节毫秒激光参数:毫秒激光的峰值功率为14?16KW，毫秒激光的脉冲宽度为0.3?0.6ms,毫秒激光的重复频率为20?30HZ，施加辅助气体并调节压力为0.3?0.5MPa，用毫秒激光直冲式打孔方法加工气膜冷却孔直到孔成型。
【文档编号】B23K26/08GK103978314SQ201410213528
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】王恪典, 凡正杰, 梅雪松, 王文君, 段文强, 袁新, 高伟芳 申请人:西安交通大学