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最新消息| 皮秒超短脈沖激光高質量沖擊燒蝕冷卻孔的自清洗效果 | 2022-04-04 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://new.qq.com/omn/20220317/20220317A07OZZ00.html" 江蘇激光聯盟導讀：本文詳細介紹了自清洗效應這一孔沖擊燒蝕的特殊特性。摘要與鉆套工藝相比，采用沖擊鉆孔技術可加工冷卻孔，加工效率更高。然而,人們普遍認為洞的燒蝕的精度較低沖擊鉆探比開孔,其中,洞周圍的飛濺融化材料表面和孔內的鑄層的兩個主要問題是減少孔的燒蝕的精度,特別是對于重鑄層,即使采用套孔技術也不能完全消除。本文詳細介紹了自清洗效應這一孔沖擊燒蝕的特殊特性。此外，還討論了產生自清潔效應的原因。最后，利用沖擊鉆孔的自清洗效果，利用皮秒超短脈沖激光在鎳基高溫合金表面燒蝕出高質量的冷卻孔，孔表面周圍沒有熔化飛濺材料，孔內沒有重鑄層。1.介紹如今，渦輪機的前部入口溫度已經高達數千度，例如，Hoebel等人報告稱，燃氣輪機的入口溫度已經超過1400°C，因此，非常有必要使用具有優良耐熱性和擴散能力的葉片材料。目前，由于多晶和單晶鎳基高溫合金具有良好的熱性能，被選為葉片材料。但是，只有材料的性能不能很好地解決高溫問題，因此，在鎳基高溫合金中，有或沒有熱障涂層，還有一些其他的方法，包括熱障涂層的制備和氣膜冷卻孔的加工。對于后者，其原理是從空心渦輪內部釋放冷空氣，然后依靠葉片上數萬個冷卻孔，在葉片表面形成一層薄薄的冷氣膜，隔離高溫氣流，保護葉片。此外，根據葉片表面曲率結構，冷卻孔的角度范圍為15–90°，孔徑通常為0.1–1.25它必須大于100毫米m，以達到冷卻效果。目前，加工冷卻孔的方法多種多樣，如電火花加工（EDM）、電化學加工（ECM）和激光打孔，而激光打孔因其具有柔性，各種尺寸和形狀的高精度自動加工孔。此外，與具有一些典型問題的長脈沖激光加工相比，例如很厚的重鑄層和大量的微裂紋等，超短脈沖激光加工是更好的選擇。一般來說，超短脈沖激光器由低皮秒激光（脈寬小于12秒）組成飛秒激光器的一些優點主要包括較短的脈沖持續時間和較高的峰值功率，并且有許多先進的應用，例如，Yin等人報道了一種一步飛秒激光輻照方法，用于在不銹鋼網格表面制造周期性納米波紋結構，顯示出超親水和水下超疏水能力。Zang等人提出了通過飛秒激光直接寫入在粗糙的ZnO上處理的周期性微孔，以增強InGaN發光二極管的輸出功率。Salama等人展示了使用皮秒超短脈沖激光系統對碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料進行鉆孔和加工的研究，發現HAZ比之前使用納秒脈沖激光的報告結果小得多。不銹鋼網的表面形貌和化學成分的原始和激光處理不銹鋼網。(a)原始不銹鋼網和激光處理不銹鋼網的數字圖像。(b)不銹鋼網的掃描電鏡圖像。(c-e)不銹鋼網表面激光處理后不同放大倍數的SEM圖像。(f,g)原始不銹鋼網和激光處理不銹鋼網的EDS光譜。上圖(a)為原始不銹鋼網(300目)和激光處理不銹鋼網的數碼照片。觀察到，原始的不銹鋼網是銀白色的，而經過處理的不銹鋼網是黑色的，這是網狀表面形成納米結構的結果。圖(b)為原始不銹鋼網的SEM圖像，其表面光滑。圖(c-e)顯示了制備過程中不同放大倍數的網格表面的SEM圖像。可以清楚地看到，網格表面形成了均勻的周期性納米波紋，并隨機覆蓋在納米波紋上的納米顆粒大小從數十納米到數百納米。圖S2，對納米紋波的輪廓進行了表征，其中，紋波周期在500~800nm之間，平均深度為130nm。原始不銹鋼網和激光處理不銹鋼網的化學成分如圖(f)和(g)所示。激光輻照后，主要元素Cr、Mn、Fe、Ni、Mo均有不同程度的降低。同時出現了一種新的元素O,O的元素權重為6.37%。這些結果表明，在飛秒激光與不銹鋼網的相互作用過程中，激光處理過的網被氧化。此外，對于超短脈沖激光的冷卻孔加工，Das等人通過飛秒激光打孔技術對熱障涂層CMSX4高溫合金的盲孔和通孔加工進行了研究，發現存在厚度小于5mm的重鑄層孔側壁和底面為m，孔的入口圓度好，出口圓度差，必須增加圈數以進一步優化出口圓度，但會延長加工時間。Sun等人報道了皮秒超短脈沖激光在鎳基高溫合金中開孔，并在孔內發現了重鑄層和裂紋。總體而言，開孔技術已廣泛應用于超短脈沖激光冷卻孔加工，一方面，隨著樣品和激光的相對運動，開孔技術具有較高的精度和較小的“芯片”體積，另一方面，對冷卻孔尺寸有一些特定要求，如孔徑大于100μm，孔深一般為毫米級，這對超短脈沖激光沖擊鉆削提出了更高的要求。然而，在開孔方面，沖擊具有很高的效率，例如，Feng等人對冷卻孔的沖擊和開孔進行了對比研究，發現兩種方法的孔質量相似，但沖擊的加工效率明顯高于開孔的加工效率，如深度為0.8mm的打孔孔的處理時間為~600s，深度為0.6mm和1.2mm的打孔孔的處理時間分別為~180s和300s。此外，盡管鎳基高溫合金上的冷卻孔通常采用飛秒激光加工，但皮秒超短脈沖激光加工有兩個主要優點，首先，最佳脈沖持續時間為5–10秒根據激光脈沖寬度與金屬材料的電子-聲子弛豫時間之間的關系，第二，激光焦區的非線性效應非常嚴重，因為峰值功率高，脈沖寬度很短，這些都是有害的，會對加工質量產生不良影響。本文介紹了利用皮秒超短脈沖激光對鎳基高溫合金冷卻孔進行沖擊燒蝕的研究，主要課題是探索具有高質量形貌特征的冷卻孔燒蝕。2.實驗用于照射的激光為釩酸釹(Nd:VAN;本文介紹了一種波長為532nm和1064nm，頻率為1kHz，持續時間為10ps的激光器。利用該光學透鏡將激光束直接聚焦在鎳基高溫合金表面，當波長為532nm時，光學透鏡的焦距為150mm，當波長為1064nm時，光學透鏡的焦距為200mm。將1mm厚的鎳基高溫合金樣品放置在3D電動平移臺上，以實現高精度的位置控制。包括CCD攝像機在內的精確成像系統可以對樣品表面的消融區進行高分辨率的可視化。實驗是在環境條件下進行的，在相同的加工參數下，本文提供的樣品重復三次。實驗結束后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察孔洞表面形貌，然后用砂紙和拋光劑對加工后的樣品進行劈裂，然后用丙酮中的超聲波清洗機清洗砂紙或拋光劑產生的碎片。然后，利用掃描電鏡(SEM)觀察孔的側壁形貌，并通過掃描電鏡(SEM)顯微照片測量孔的尺寸。再用標準金相方法對樣品進行拋光，然后用鎳基高溫合金專用溶液對拋光表面進行蝕刻，以揭示其微觀結構特征。飛秒激光處理前后不銹鋼網表面在空氣中的水潤濕性(a,b)和水下的油潤濕性(c,d)比較。(e)油滴接觸并離開激光處理過的不銹鋼網表面后在水中的動態粘附行為。(f)在傾斜~5°的激光處理不銹鋼網面上滾動的水下油滴。如上圖(a-d)所示，原始不銹鋼網具有疏水性，靜態水接觸角為121°±1°。激光照射后，均勻的納米波紋結構使疏水表面急劇轉變為超親水表面，水接觸角接近0°。圖(c)顯示了一個油(1,2-二氯乙烷)液滴在水介質的原始不銹鋼網表面上。表面疏油性較弱，油接觸角(OCA)為115°±1°。有趣的是，經激光處理的不銹鋼網表面上的油滴保持近似球形，OCA為157°±2°，表面表現出水下超疏油性(圖(d))。為了考察制備好的網眼表面在水中的粘著力，進行了兩種不同的測試。圖(e)顯示了一個油滴接觸網格，然后允許其離開。即使油滴在一定的壓力下接觸到已制備的網片表面，油滴也能輕易離開已制備的網片，不留任何殘渣。此外，油滴可以以較低的滑動角度(~5°)從制備的網格中滾出，如圖(f)所示。這兩項試驗表明，激光處理后的網眼在水中具有超低的油粘著力。實驗中，首先選擇了532nm的波長，激光功率為5-135mW，脈沖范圍為50~20000。此時鉆的是盲孔，所以主要關注的是孔的表面形貌。孔徑小于100m，不能滿足冷卻孔的要求。為了進一步增大孔直徑，采用長激光波長1064nm與焦距200mm的長光學透鏡相結合。同時，使用的激光功率為200-248mW，脈沖從2萬到50萬。3.結果和討論3．1.基于自清潔效果的表面形貌超短脈沖激光加工的燒蝕機理主要有兩種:汽化和相爆，分別對應于溫和燒蝕和強燒蝕。對于前一種，激光功率位于溫和消融閾值附近，如圖1(A)所示，在功率為5mW、脈沖為50~20000時，在孔表面周圍沒有熔化飛濺，即:孔的表面形貌質量很好，隨著脈沖強度的增加，孔的表面形貌越來越細。但由于激光功率較低，對于溫和燒蝕而言，燒蝕孔深度非常有限。為了處理深洞,激光功率必須足夠高,這樣強烈的消融與階段誘導爆炸機制,這通常是一個復雜的消融等一些非線性光學效應的自聚集空氣，細絲和錐形排放等等,與此同時,孔表面周圍普遍存在熔化飛濺物。例如，當功率為75mW和135mW時，當脈沖數為50和1000時，進口出現了基于錐形發射誘導的環形結構，孔洞表面周圍有大量飛濺，如圖1(B1和B2)和(C1和C2)所示，超短脈沖激光的相爆燒蝕所產生的兩個經典特性導致了孔形貌質量較差。圖1孔表面的SEM圖像(532nm波長)。但值得注意的是，在超短脈沖激光加工過程中，孔表面周圍的熔化飛濺材料可以通過自清潔作用被清除掉，這是超短脈沖激光加工中孔的沖擊燒蝕所特有的特性。如圖1（B3）和（C3）所示，當脈沖增加到5000時，孔表面周圍仍有一定數量的熔化飛濺物，以75的功率燒蝕兆瓦，但對于用135倍功率燒蝕的孔mW，有少量熔化飛濺物，僅有少量微裂紋。繼續將脈沖增加到20000，對于這兩個75的功率，都有平滑和精細的孔表面形態兆瓦和135兆瓦mW如圖1（B4）和（C4）所示，尤其是對于功率為135的孔mW時，孔的表面形貌更加光滑、細致，微裂紋也明顯減少。此外，與圖1相比，在水平軸方向上，即保持激光功率不變，增加脈沖次數，孔表面形貌越來越好，如圖1所示，也就是說，隨著脈沖次數的增加，孔表面形貌出現細化或自清洗效應。而在包含相反參數的垂直軸方向上，隨著水平軸方向的變化，當脈沖小于1000時，孔洞表面形貌隨著功率的增加而逐漸變差。這主要是由于高激光功率下非線性效應對孔洞形貌的不利影響。此后，增大脈沖功率，3種激光功率中，5mW低功率和135mW高功率時孔洞表面形貌良好，而75mW功率時孔洞表面形貌最差。但目前，相爆炸機制下的自清洗效應減弱了非線性效應對形貌的影響，使孔面形貌變得更好。從以上結果可以得出，脈沖次數越多，孔表面形貌越好，但激光功率對孔表面形貌的影響更為復雜，需要結合整個脈沖次數來考慮。此外，對孔表面形貌獲得較好的自清洗效果的參數尚不明確。由于沖擊鉆進過程中的自清潔效應，主要與激光功率在空間的高斯分布有關。具體來說，如圖2（A）所示，熔融飛濺材料主要由來自被燒蝕材料的噴射熔體顆粒組成，它們在激光能量的作用下經歷相變，并且在激光燒蝕期間處于亞穩態，它們的一個特點是閾值低于身體材料。在相位爆炸機制下的沖擊鉆孔過程中，可能每個脈沖都會引起一些表面熔化飛濺，同時，只有中心處大于主體材料閾值的部分功率才是造成孔燒蝕的原因，而邊緣處的部分功率低于主體材料的閾值，將燒蝕圖2（B）所示孔表面周圍的熔化飛濺材料，即表面形貌的自清潔效應，它可以使深度孔獲得高質量的表面形貌，以實現強燒蝕。同時，孔表面周圍處于凸出狀態的熔化飛濺物對入射激光有會聚作用，使飛濺物被去除。圖2孔表面周圍熔化飛濺材料的來源和清理示意圖。圖3為經過強燒蝕處理的鎳基高溫合金中直徑大于100m的孔洞的SEM圖像。可以看出,無論盲孔,通孔,有小洞表面飛濺材料融化,換句話說,冷卻孔與高質量的表面形態可能是熔化的基于自潔效應的沖擊鉆探微微秒超短脈沖激光器。圖3孔表面的SEM圖像(1064nm波長)。３．２．內部形態基于自清潔效果對于孔內部形貌來說，重鑄層是導致超短脈沖激光加工孔質量較差的主要問題，如圖4所示，無論盲孔還是通孔，根據其位置，孔內重鑄層主要分為兩大類。首先是側壁重鑄層，位于孔側壁表面，如圖4(A)和(C)所示，從圖4(A)中加工參數相同的三個孔中可以看出，基于超短脈沖激光加工的孔一致性較好，即使有相似的重鑄層位置和數量。第二、型腔重鑄層，如圖4(B)和(C)所示，將整個孔洞填滿并堵住孔洞，或位于盲孔底部的型腔重鑄層也稱為型腔重鑄層。此外，如果被加工孔中存在型腔重鑄層，將嚴重阻礙激光能量向較深處的傳播，從而影響孔加工的深度和效率。總之，孔內的重鑄層嚴重影響孔的質量，進而導致葉片強度較差，甚至在高溫高壓的工作條件下導致葉片斷裂。所以重鑄層應盡量消除。結果表明，沖擊鉆孔的自清潔效果不僅能優化鉆孔表面形貌，還能清潔鉆孔內的重鑄層。基于沖擊鉆孔的自清洗效應，研究皮秒超短脈沖激光燒蝕冷卻孔的內部形貌。圖4基于位置(1064nm波長)的孔內重鑄層的類別。圖5和圖6分別為功率為200mW和248mW時鎳基高溫合金孔側壁輪廓的SEM和金相圖像。首先，對于功率為200mW的燒蝕盲孔，當脈沖數分別為2萬和5萬時，在孔側壁表面有側壁重鑄層，其位置主要位于孔的下半部分，如圖5(A、B)所示。將脈沖次數分別增加到10萬、20萬，有如圖5(C、D)所示的孔洞重鑄層，其位置也在孔洞底部的一半，距離孔洞底部約幾十微米。通孔內的側壁和型腔重鑄層均位于孔的下半部分，如圖5(E)和圖6(C)所示。此外，通孔型腔重鑄層以下的通孔直徑會出現如圖5(E)和圖6(C)所示的變窄，特別是圖6(C)的通孔，通孔直徑變寬的趨勢被型腔重鑄層阻擋，通孔直徑變窄。此后，隨著脈沖數增加到20萬，空腔重鑄層被完全沖刷掉，如圖6(D)所示，孔直徑擴大，特別是孔的下半部分。繼續增加脈沖次數，孔內不再有重鑄層，同時孔的直徑特別是底部的一半進一步擴大，使孔趨于如圖6(E)所示的圓柱形。圖5孔側壁剖面的SEM和金相圖像(功率為200mW，波長為1064nm)。圖6孔側壁剖面的SEM和金相圖像(功率248mW，波長1064nm)。簡而言之，重鑄層是由燒蝕后的再凝固材料回落到孔側壁表面而形成的。在鉆孔過程中，當孔側壁表面有重鑄層時，激光能量首先與重鑄層發生相互作用，直到重鑄層被去除后，再與基體材料發生激光能量的另一種相互作用。同時，激光能量在沒有重鑄層的位置直接與基體材料相互作用。總之,與井深的增加和深孔內的壓力梯度的影響,它是比較困難的熔化的材料向外飛濺的洞,導致重鑄層的數量的增加在深孔和重鑄層主要定位在底部一半的洞。圖7為孔洞演化示意圖及孔內重鑄層的位置和數量。可以看出，如圖7(A)所示，當激光功率為200mW時，隨著脈沖數的增加，重鑄層增多。然而，在圖7(B)所示的248mW的激光功率下，當脈沖數為2萬次時，孔內沒有重鑄層，即在這些加工參數下，燒蝕材料被完全逐出。然后，隨著孔深的增加，重鑄層出現并逐漸增加，直至通孔形成，脈沖數為20萬。此時，燒蝕材料主要從孔口擠出，重鑄層產生的機會變小。在此之后，得到了無重鑄層、孔徑加寬的孔。圖7孔的演化及重鑄層的位置和數量示意圖。此外，孔側壁的自清潔效應與沖擊燒蝕過程中單脈沖燒蝕率的變化有關。如圖8（A）所示，孔深隨著脈沖數的增加而增加，而單脈沖燒蝕率有逐漸下降的趨勢，這與報道的不同脈沖持續時間和材料的研究一致。需要指出的是，為了描述超短脈沖激光深孔加工過程，已經建立了Hirschegg模型。基于Hirschegg模型，單脈沖燒蝕率降低的原因包括激光能量耦合和粒子屏蔽，這也是孔側壁自清潔效應的原因，如圖8（B）所示。首先，對于能量耦合，隨著空穴燒蝕，激光束可能會在空穴側壁表面發生多次反射，從而細化空穴側壁的形態，并清潔空穴內的重鑄層。此外，在含有等離子體和汽化物質氣體等的空腔中有一個粒子質量，該粒子質量會吸收部分激光能量，同時也會像刺猬一樣將能量釋放到周圍區域。所以重鑄層會被沖走。圖8孔側壁形貌對自清潔效果的影響。總體而言，利用沖擊鉆孔的自清潔效應，可以對孔內的重鑄層，即未噴射的熔融再凝固材料進行再燒蝕和噴射，最終獲得幾乎沒有重鑄層的孔。特別是對于通孔加工，自清潔效果更為突出，因為一旦通孔被誘導，燒蝕材料主要從出口噴出。此時，一部分激光能量將直接穿過通孔，另一部分激光能量將與孔內物質發生一些相互作用，如粒子和重鑄層等，以及孔內激光束的折射和散射，最后，孔徑將變寬，孔側壁形態將被清理。綜上所述，基于鎳基高溫合金的自清潔效應，一種僅用于孔的沖擊燒蝕的特殊性質，可以用皮秒超短脈沖激光燒蝕無重鑄層的高質量孔。4.結論基于沖鉆加工孔的效率高于鉆套工藝，本文采用皮秒超短脈沖激光對鎳基高溫合金沖鉆冷卻孔進行了研究，以探索孔的優質形貌特征。一般來說，沖擊鉆孔主要存在兩個問題會降低孔的燒蝕精度，即孔表面周圍的熔化飛濺材料和孔內的重鑄層，而自潔效應可以解決這些問題，自潔效應是沖擊燒蝕孔的一種特殊特性。此外，還對產生自潔效應的原因進行了探討。綜上所述，利用皮秒超短脈沖激光對鎳基高溫合金進行燒蝕，可獲得高質量的冷卻孔，孔表面周圍沒有熔化飛濺材料，孔內沒有重鑄層。來源：Self-cleaningeffectinhighqualitypercussionablatingofcoolingholebypicosecondultra-shortpulselaser，OpticsandLasersinEngineering，doi.org10.1016j.optlaseng.2018.01.011參考文獻：M.Hoebel,B.Fehrmann,K.Franitza,C.Kohles,P.Lang，Automatedlaserre-openingoffilmcoolingholes，ASMEturboexpo2006:powerforland,sea,andair(2006),pp.991-1000 關鍵字標籤：皮秒雷射價格 |
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