CN102126087A

CN102126087A - 无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺

Info

Publication number: CN102126087A
Application number: CN2011100709245A
Authority: CN
Inventors: 王恪典; 段文强; 梅雪松; 王文君; 赵书兴; 刘斌
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明提供一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，包括：在蜗轮机叶片表面喷涂耐高温陶瓷涂层，再利用大功率的毫秒激光器以正交实验得到的优化激光参数进行微深孔加工，得到具有最小重铸层深度的微深孔；然后将加工好的微深孔浸入化学酸溶液中，进行腐蚀，最后得到了无重铸层的微深孔。本发明利用优化参数的激光加工微深孔，得到重铸层最薄的微深孔；然后利用特殊配置的酸溶液腐蚀一定时间，完全腐蚀掉重铸层；这种复合加工方法具有成本低、效率高、操作简单的特点，解决了大功率激光在金属上加工微深孔时常有重铸层及微裂纹缺陷的问题，得到了孔壁光滑、轮廓清晰的高质量微深孔。

Description

无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺

【技术领域】

本发明涉及一种激光复合加工及修形方法，具体涉及一种无重铸层微深孔的激光复合加工与后处理工艺。

【背景技术】

燃气轮机是一种将气体或液体燃料(如天然气、燃油)燃烧产生的热能转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交通、国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机温度最高(1400℃以上)、应力最复杂、环境最恶劣的部位，其价值占产品整机的近50％，是燃气轮机中的关键部件。随着大型燃气轮机推力和推重比要求的不断提高，涡轮前燃气温度不断提高，涡轮动叶片的冷却技术成为决定燃气轮机性能的关键因素之一。为形成冷却气膜保护高温下工作的叶片，目前涡轮动叶片上所采用的冷却措施多为叶身内部有异型孔冷却通道，叶身表面上尤其是在进气边开有密布小孔的冷却结构形式。因而，叶片表面微深冷却孔群的加工质量也就成为保证叶片在高温、高速旋转等恶劣环境下使用寿命的关键。燃气轮机的高温涡动叶片结构非常复杂，由叶型、叶台、叶柄和叶根组成；每个叶片有数十至数百个冷却孔，孔径一般在0.25～1.5mm之间，孔的深度≤4mm，深径比≤10；由于高温涡动叶片的苛刻工作环境和工况要求，这些微冷却孔应该无微观裂纹、无再结晶层，以保证其高速和长寿命可靠地运行。

目前，大约有50余种微深孔加工方法用于不同情况的微深孔加工，而较常用的微深孔加工方法主要包括：传统的机械加工(钻削、冲压、研磨和磨料流)、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工、离子束加工和激光加工。在涡轮动叶片微深冷却孔加工中，用的最多的是电火花加工方法和普通大功率激光直接加工方法。由于叶片是用耐高温镍基合金等难加工材料制造，采用电火花加工的微深孔存在加工效率低、成本高、质量不稳定、加工深度受到限制、盲孔加工时排屑困难等问题，而且所加工的微孔壁存在一定厚度的重铸层。使用激光加工微深孔虽然有诸多优点，如加工材料范围广、加工能力强、加工精度高、生产率高、投资小等，但直接用大功率激光加工出来的孔有很多缺陷，特别是在孔壁上产生重铸层和微裂纹。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，其成本低、效率高、操作简单的特点，解决了大功率激光在金属上加工微深孔时常有重铸层及微裂纹缺陷的问题，能够得到孔壁光滑、轮廓清晰的高质量微深孔。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，包括：在蜗轮机叶片表面喷涂耐高温陶瓷涂层，再利用大功率的毫秒激光器以正交实验得到的优化激光参数进行微深孔加工，得到具有最小重铸层深度的微深孔；然后将加工好的微深孔浸入化学酸溶液中，进行腐蚀，最后得到了无重铸层的微深孔。

本发明一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，具体包括以下步骤：

1)首先，在蜗轮机叶片材料表面喷涂一层耐高温陶瓷涂层；

2)利用型号为Nd:YAG:JK300D的大功率的毫秒激光器以旋切法进行微深孔加工，旋切线速度为0.5mm/s；大功率的毫秒激光器的激光参数为脉冲宽度为激光器最小值0.2ms，峰功率为激光器的最大值16Kw，离焦量为-0.2mm；

3)配置化学酸溶液，HNO3∶HCl∶H2O的体积比为25∶50∶25，其中HNO3的质量分数67％，HCl的质量分数37％；将步骤2)中加工好的微深孔浸入配置的化学酸溶液中，520s后取出，用清水冲洗干净，得到了无重铸层的微深孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用优化参数的激光加工微深孔，得到重铸层最薄的微深孔；然后利用特殊配置的酸溶液腐蚀一定时间，完全腐蚀掉重铸层，得到表面光滑、无裂纹且符合尺寸要求的微深孔；这种复合加工方法具有成本低、效率高、操作简单的特点，解决了大功率激光在金属上加工微深孔时常有重铸层及微裂纹缺陷的问题，得到了孔壁光滑、轮廓清晰的高质量微深孔。

【附图说明】

图1是旋切加工方法示意图；

图2是未优化激光参数加工的孔，重铸层厚度约73μm；

图3是优化孔激光参数加工的孔，重铸层厚度约10μm；

图4是腐蚀时间150s后的孔形貌；

图5是腐蚀时间520s后的孔形貌；

图6是图5所示微深孔孔的侧壁戴面图；

图7是图5所示微深孔孔的金相分析图；

图8是图7所示金相图的局部放大图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

在毫秒激光孔加工方面，很多的研究都只是集中在激光参数对孔几何尺寸的影响上，研究了激光脉冲能量、脉冲宽度、聚焦条件、重复频率对打孔质量的影响，没有综合考虑各参数之间相互影响的因素，也没有专门针对重铸层的深入研究。本发明旨在全面考虑各参数对孔加工质量的影响，找到了一种既可保留毫秒激光高效率的特点，又可以使加工质量有很大提高的方法。

本发明的目的在于提供一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，使用大功率激光器及优化参数对涡轮叶片微深冷却孔进行初加工，再利用一种化学溶液的腐蚀作用去除所加工微深孔壁上存在的重铸层及微裂纹缺陷。

本发明首先在蜗轮机叶片材料表面喷涂耐高温陶瓷涂层，再利用大功率的毫秒激光器以正交实验得到的优化激光参数进行微深孔加工，得到具有最小重铸层深度的微深孔；然后将这些孔样品放入一种配置的化学酸溶液中，进行适当时间的腐蚀，最后得到了无重铸层的高质量微深孔。

本发明工艺具体步骤如下步骤：

1)首先，在蜗轮机叶片材料表面喷涂耐高温陶瓷涂层；

2)请参阅图1所示，利用大功率的毫秒激光器Nd:YAG:JK300D以正交实验得到的优化激光参数进行微深孔加工，加工方法为旋切法，旋切线速度设为0.5mm/s；优化激光参数中，脉冲宽度为激光器最小值0.2ms，峰功率为激光器的最大值16Kw，离焦量为-0.2mm；

3)配置化学酸溶液，HNO₃∶HCl∶H₂O＝25∶50∶25(体积比，其中HNO₃的质量分数67％，HCl的质量分数37％)，将步骤2)中加工的微深孔浸泡在配置的化学酸溶液中，520s后取出，用清水冲洗干净。

请参阅图2和图3所示，图2所示为采用现有激光加工方法，未优化激光参数加工的孔，重铸层厚度约73μm；图3所示为优化孔激光参数加工的孔，重铸层厚度约10μm，可以明显看出，优化激光参数后，大大降低了重铸层的厚度。

请参阅图4及图5所示，分别为微深孔浸入步骤3配置的化学酸溶液中150s和520s后形成的孔形貌，放入化学酸溶液中的微深孔520s后重铸层被全部腐蚀掉，形成的孔壁光滑、无裂纹，尺寸完全达到设计要求。由于步骤1)中在蜗轮机叶片材料表面喷涂耐高温陶瓷涂层，使得微深孔中的重铸层被腐蚀掉以外，涡轮机叶片的其它部位由于耐高温陶瓷涂层的保护，不会受到化学酸溶液的侵蚀。

请参阅图6-8所示，可以看出利用本发明方法加工的微深孔孔壁光滑、无裂纹、轮廓清晰、质量高。

本发明这种复合加工方法具有成本低、效率高、操作简单的特点，解决了大功率激光在金属上加工微深孔时常有重铸层及微裂纹缺陷的问题，得到了孔壁光滑、轮廓清晰的高质量微深孔。

Claims

1.一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，其特征在于：在蜗轮机叶片表面喷涂耐高温陶瓷涂层，再利用大功率的毫秒激光器以正交实验得到的优化激光参数进行微深孔加工，得到具有最小重铸层深度的微深孔；然后将加工好的微深孔浸入化学酸溶液中，进行腐蚀，最后得到了无重铸层的微深孔。

2.如权利要求1所述一种无重铸层微深孔的毫秒激光加工与后处理工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)首先，在蜗轮机叶片材料表面喷涂一层耐高温陶瓷涂层；

3)配置化学酸溶液，HNO₃∶HCl∶H₂O的体积比为25∶50∶25，其中HNO₃的质量分数67％，HCl的质量分数37％；将步骤2)中加工好的微深孔浸入配置的化学酸溶液中，520s后取出，用清水冲洗干净，得到了无重铸层的微深孔。