一種帶熱障涂層渦輪葉片冷卻孔的高能激光分步加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于渦輪葉片的激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶熱障涂層渦輪葉片冷卻孔的高能激光分步加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著航空航天和能源技術(shù)的進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)正在向著高流量比、高推重比、高渦輪燃?xì)鉁囟确较虬l(fā)展。渦輪是承受航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷最大的部件，承受著高溫高壓燃?xì)獾臎_擊，而避免過(guò)高的溫度則需要靠冷卻技術(shù)和材料的改善來(lái)解決。一方面，氣膜冷卻技術(shù)現(xiàn)已成為渦輪葉片最具代表性的冷卻技術(shù)，同時(shí)冷卻孔空間分布角度復(fù)雜，大多為斜孔，而且數(shù)量很多；另一方面，熱障涂層是由金屬粘結(jié)層和陶瓷表面涂層組成的涂層系統(tǒng)，對(duì)于基底材料起到隔熱作用，為渦輪熱端部件提供了安全的環(huán)境，可以解決部分溫度過(guò)高的問(wèn)題。在上述前提下，對(duì)帶涂層的渦輪葉片采用激光打孔方法，由于能夠一次加工成型，省去了傳統(tǒng)工藝所需的后續(xù)修整工藝，能夠大大縮短氣膜冷卻孔的制備周期，降低冷卻孔制備成本，保證加工質(zhì)量，提高加工效率；另外由于激光打孔工藝不需要工作電極和復(fù)雜的工裝系統(tǒng)，且易于加工像陶瓷這類(lèi)高硬度、非導(dǎo)電材料，所以與電解加工、電火花加工、傳統(tǒng)的鉆削加工相比，激光加工有著較高的加工效率，具有很好的應(yīng)用前景。
[0003]激光加工雖然作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域制孔的先進(jìn)工藝和主要方法，但也存在一些固有的缺陷。其一，陶瓷涂層和金屬基體之間熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的分層開(kāi)裂問(wèn)題。帶熱障涂層的基體屬于多層材料系統(tǒng)，金屬基體、粘結(jié)層、表面陶瓷隔熱層材料之間的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等物理性質(zhì)差異較大，在激光加工過(guò)程中，由于陶瓷具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，造成陶瓷層、粘結(jié)層、基體之間因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，此應(yīng)力直接作用于涂層界面使其出現(xiàn)分層開(kāi)裂現(xiàn)象。其二，激光點(diǎn)熱源加工陶瓷涂層材料存在的裂紋問(wèn)題。激光打孔的原理是利用被聚焦的高能激光束作用于材料表面，利用材料的蒸發(fā)和液態(tài)噴濺去除材料，尤其在利用激光加工陶瓷材料時(shí)，由于陶瓷屬于脆硬材料，局部受到較大熱沖擊時(shí)易產(chǎn)生裂紋。其三，激光加工斜孔時(shí)熔融物噴射造成的機(jī)械應(yīng)力問(wèn)題。當(dāng)激光加工孔時(shí)，在孔未穿透前，去除的材料以熔化和氣化的形式從孔口噴射出去，高速高壓的熔融金屬對(duì)孔壁產(chǎn)生巨大的機(jī)械應(yīng)力，一方面以力矩的形式作用于斜孔的出口前沿處，使凸起的陶瓷層有扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；另一方面，以剪切應(yīng)力作用于孔壁的陶瓷層和基體，由于陶瓷材料彈性模量較大，受到相同剪切應(yīng)力作用時(shí)具有較小的變形，致使陶瓷層和基體以及粘結(jié)層之間變形不一致，這些均會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)分層開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，激光加工帶涂層基體孔時(shí)，如何更好地解決激光制孔過(guò)程中涂層分層開(kāi)裂和涂層裂紋問(wèn)題是航天制造領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種帶熱障涂層渦輪葉片氣膜冷卻孔的分步加工方法，綜合散焦、聚焦的變換以及旋切式、直沖式兩種制孔方式相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，能有效防止制孔過(guò)程中陶瓷層、粘結(jié)層、基體之間的分層開(kāi)裂和涂層裂紋現(xiàn)象，提高加工效率，保證加工孔的質(zhì)量，而且可加工直徑0.小孔。
[0005]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]—種帶熱障涂層渦輪葉片冷卻孔的高能激光分步加工方法，包括以下步驟:
[0007]1)利用散焦毫秒激光在渦輪葉片陶瓷層上旋切斜直孔，將陶瓷層部分旋切去除，具體為:
[0008]1.1)將帶熱障涂層渦輪葉片固定在激光設(shè)備的工作臺(tái)上，根據(jù)氣膜冷卻孔的傾斜角度調(diào)節(jié)激光頭與渦輪葉片的夾角，調(diào)節(jié)激光頭與渦輪葉片預(yù)打孔位置的距離，使其激光的離焦量為4mm?6mm ；
[0009]1.2)調(diào)節(jié)激光參數(shù):激光峰值功率為10?12KW，激光脈沖寬度為0.3?0.6ms，重復(fù)頻率為40?60HZ，施加輔助氣體壓力為0.3?0.5Mpa ；
[0010]1.3)采用旋切式打孔方式，在控制系統(tǒng)中編制激光旋切路徑，設(shè)定旋切速度為0.2?0.5mm/s，旋切次數(shù)為2?3次以及需要加工的孔徑大?。?br>[0011]1.4)開(kāi)啟激光器，在渦輪葉片陶瓷層上旋切斜直孔；
[0012]2)利用聚焦毫秒激光初步加工渦輪葉片基體部分上的孔，并使孔留有加工余量，具體為:
[0013]2.1)調(diào)節(jié)激光參數(shù):激光峰值功率為8?10KW，激光脈沖寬度為0.2?0.3ms，重復(fù)頻率為40?50HZ，施加輔助氣體壓力為0.3?0.5Mpa ；
[0014]2.2)調(diào)節(jié)激光頭與渦輪葉片預(yù)打孔位置的距離，使激光焦點(diǎn)位于步驟1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔的底部，并留有加工余量，用直沖式打孔方法加工渦輪葉片基體部分，直到氣膜冷卻孔打通，至此完成了氣膜冷卻孔的初步加工；
[0015]3)利用散焦小能量激光旋切去除步驟2)留有的加工余量，加工成型氣膜冷卻孔，具體為:
[0016]3.1)調(diào)節(jié)激光參數(shù):激光峰值功率為6?8KW，激光脈沖寬度為0.3?0.4ms，重復(fù)頻率為50?60HZ，施加輔助氣體壓力為0.3?0.5Mpa ；
[0017]3.2)調(diào)節(jié)激光頭與渦輪葉片基體上初步加工后所得通孔孔口處的距離，使其激光的離焦量為5mm?6mm ；
[0018]3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系統(tǒng)中編制激光旋切路徑，設(shè)定旋切速度為0.3?0.5mm/s，旋切次數(shù)為2?3次以及所要求加工的孔徑大小，打開(kāi)激光器進(jìn)行渦輪葉片基體部分的旋切，去除留有的加工余量，至此完成氣膜冷卻孔的加工。
[0019]所述的渦輪葉片陶瓷層上旋切孔的孔徑為渦輪葉片基體上初加工孔孔徑的1.5-2倍。
[0020]本發(fā)明的有益效果:用激光在帶熱障涂層渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔時(shí)，采用分步加工的思想，使得加工過(guò)程中機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力最小化，即先利用散焦毫秒激光旋切去除冷卻孔的陶瓷部分，再用聚焦毫秒激光加工基體部分且留有加工余量，最后利用小能量散焦激光旋切去除余量，加工成型氣膜冷卻孔。首先，分步加工涂層和基體材料旨在避免凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生、降低熱應(yīng)力，加工余量用來(lái)改變?nèi)廴谖锪黧w噴射路徑和方向，降低涂層及其界面處的噴射機(jī)械應(yīng)力。其次，散焦毫秒激光加工陶瓷涂層，主要是為了降低高能激光對(duì)材料系統(tǒng)的熱影響，降低材料的熱應(yīng)力，也將對(duì)消除分層開(kāi)裂現(xiàn)象帶來(lái)好處。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為利用散焦毫秒激光在渦輪葉片陶瓷層上旋切斜直孔示意圖。
[0022]圖2為利用聚焦毫秒激光初步加工渦輪葉片氣膜冷卻孔示意圖。
[0023]圖3為利用散焦小能量激光旋切去除加工余量，加工成型氣膜冷卻孔示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]在帶熱障涂層鎳基高溫合金渦輪葉片1上加工直徑為0.6mm、傾斜角度為60°的氣膜冷卻孔，渦輪葉片1(材料為鎳基高溫合金，型號(hào)為InConel718)厚度約為2_，渦輪葉片1表面涂有熱障涂層(由粘結(jié)層2和陶瓷層3組成)，粘結(jié)層2 (材料為NiCoCrAlY)厚度約為0.1mm，陶瓷層3 (材料為6% -8% Y203的ZrO 2)厚度約為0.3mm。
[0026]實(shí)施例1
[0027]參照?qǐng)D1、圖2和圖3，一種帶熱障涂層渦輪葉片冷卻孔的高能激光分步加工方法，包括下述步驟:
[0028]1)利用散焦毫秒激光在渦輪葉片陶瓷層上旋切斜直孔，將陶瓷層部分旋切去除，目的是為了減小高能激光加工陶瓷材料時(shí)的熱沖擊，具體為:
[0029]1.1)將帶熱障涂層的鎳基高溫合金渦輪葉片1固定在激光設(shè)備的工作臺(tái)上，根據(jù)成型氣膜冷卻孔9的傾斜角度(此處為60° )調(diào)節(jié)激光頭4與渦輪葉片1的夾角，為使激光熱源對(duì)陶瓷界面熱影響不致太大和陶瓷材料的有效去除，因此調(diào)節(jié)激光頭4與渦輪葉片1預(yù)打孔位置的距離，使其激光的離焦量為6mm ;
[0030]1.2)根據(jù)熱障涂層的厚度和成型氣膜冷卻孔9的傾斜角度設(shè)定加工工藝參數(shù)，使其能旋切出具有較好質(zhì)量的斜直孔5，且對(duì)渦輪葉片基體有較小的熱影響，故調(diào)節(jié)激光參數(shù)為:激光峰值功率為12KW，激光脈沖寬度為0.6ms，重復(fù)頻率為60HZ，施加輔助氣體壓力為0.5Mpa ;
[0031]1.3)采用旋切式打孔方式，根據(jù)熱障涂層的厚度及其相應(yīng)的激光參數(shù)，設(shè)定旋切速度、旋切次數(shù)，在控制系統(tǒng)中編制激光旋切路徑，設(shè)定旋切速度為0.5mm/s，旋切次數(shù)為3次，旋切孔半徑為0.3mm ；
[0032]1.4)開(kāi)啟激光器，在渦輪葉片陶瓷層上旋切斜直孔5 ;
[0033]2)利用聚焦毫秒激光初步加工渦輪葉片基體部分上的孔，并使孔留有加工余量，目的是為了改變?nèi)廴谖锪黧w噴射路徑和方向，減小金屬熔融物噴射對(duì)陶瓷層的機(jī)械應(yīng)力影響，具體為:
[0034]2.1)根據(jù)成型氣膜冷卻孔9的傾斜角度設(shè)定激光頭4的傾斜角度，為了提高加工效率，保證加工質(zhì)量，應(yīng)調(diào)節(jié)激光參數(shù)為:激光峰值功率為10KW，激光脈沖寬度為0.3ms，重復(fù)頻率為40HZ，施加輔助氣體壓力為0.5Mpa ;
[0035]2.2)調(diào)節(jié)激光頭4與渦輪葉片1預(yù)打孔位置的距離，使其激光焦點(diǎn)位于步驟1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔5底部，用直沖式打孔方法加工渦輪葉片1基體部分直到初加工冷卻孔8打通，至此完成了氣膜冷卻孔的初步加工；加工后留有的加工余量7，一般為0.1?0.2_，參照?qǐng)D2，加工過(guò)程中有噴射的金屬熔融物6，陶瓷層上旋切的斜直孔5的孔徑為渦輪葉片1基體上初加工冷卻孔8孔徑的1.5?2倍；
[0036]3)用散焦小能量激光旋切去除步驟2)留有的加工余量7，加工成型氣膜冷卻孔9，目的是為了降低對(duì)孔壁的熱影響，保證成型孔的加工質(zhì)量，具體為:
[0037]3.1)調(diào)節(jié)激光參數(shù):激光峰值功率為8KW，激光脈沖寬度為0.4ms，重復(fù)頻率為50HZ，施加輔助氣體壓力為0.5Mpa ；
[0038]3.2)調(diào)節(jié)激光頭4與渦輪葉片1基體上初步加工后所得通孔孔口處的距離，使其激光的離焦量為6mm ；
[0039]3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系統(tǒng)