CN103990910B - 一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，用激光在带热障涂层涡轮叶片上加工小孔时，采用分步加工去除热障涂层和涡轮叶片基体材料，即先利用散焦毫秒激光在陶瓷层上旋切一个孔径为涡轮叶片基体孔径1.5-2倍的锥形孔，主要为了降低热应力和熔化喷射应力的影响，再用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片基体部分，此外，利用高频感应加热辅助条件来改变激光加工的环境，降低涡轮叶片基体与陶瓷层的温度梯度，也将对消除分层开裂现象带来好处。

Description

一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种带热障涂层镍基高温合金基体激光打孔方法。
背景技术
目前的航天领域的制孔工艺主要有电火花加工、电解加工、激光加工、传统的钻削加工以及它们之间的复合加工方法等，其中电火花加工和电解加工只局限于对导电介质的加工，由于陶瓷涂层不导电，故这些方法不能用于带陶瓷涂层零件的加工；而对于钻削加工方法而言，一方面由于钻削过程中刀具与零件之间会产生巨大的作用力，极易使涂层脱落，另一方面在高硬度的高温合金材料上加工直径小于2mm的小孔时，因钻头过细，钻头容易折断，而导致无法完成加工。据统计，当今航空发动机包含约100000个气膜冷却孔，如此多的冷却孔的加工要求加工时间尽可能短、加工成本尽可能低。而激光打孔工艺不需要工作电极和复杂的工装系统，且易于加工高硬度、非导电材料等，所以与电解加工、电火花加工相比激光加工有着较高的加工效率，具有很好的应用前景。
对于多层材料系统的激光加工而言，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，陶瓷层是热障涂层系统的核心，但由于材料的固有属性，其热膨胀系数相对基体和粘结层都较小，且质脆，对于传统的涂层和基体一次性去除而言，激光焦点位于陶瓷面上，距界面结合处距离较近，使得界面结合处的温度梯度较大，在具有较大的温度梯度情况下极易因热膨胀系数不匹配而出现分层开裂现象；最后，对于涂层和基体的一次性激光加工去除，当激光加工到基体时，斜孔由于形状的不对称性加之孔口前沿尖锐的几何形状，大部分高温高压熔融金属从近陶瓷孔口前沿喷射出来，容易导致此处的界面结合层出现分层开裂缺陷。因此，激光打带涂层基体孔时，如何有效避免打孔过程中的分层开裂现象是航天制造领域的一个技术难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，能有效防止制孔过程中陶瓷层、粘结层、基体之间的分层开裂现象，提高加工效率，保障加工质量，而且可加工直径在0.2mm-1mm小孔。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，包括下述步骤：
1)利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切锥形孔，同时用高频感应加热涡轮叶片基体部分，具体为：
①将涡轮叶片固定在激光设备的工作台上，根据气膜冷却孔的倾斜角度调节激光头与涡轮叶片的夹角，调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使其激光的离焦量为5mm～8mm；
②调节激光参数：调节激光峰值功率为12～14KW，激光脉冲宽度为0.2～0.5ms，重复频率为60～70HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；
③控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.3～0.5mm/s、旋切次数为2～3次；
④调节高频感应工作频率为20～25KW，预热涡轮叶片基体到温度恒定，打开激光器，用旋切方法在涡轮叶片陶瓷层上加工锥形孔；
2)用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片基体部分孔，具体为：
①调节激光参数：调整激光峰值功率为14～16KW，激光脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为20～30HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；
②调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使激光焦点位于锥形孔底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片基体部分，直到气膜冷却孔成型。
所述的在涡轮叶片陶瓷层上旋切的锥形孔的孔径为涡轮叶片基体孔径1.5-2倍。
本发明的有益效果：用激光在带热障涂层涡轮叶片上加工气膜冷却孔时，采用分步加工方法去除热障涂层和涡轮叶片基体材料，即先利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切一个孔径为涡轮叶片基体孔径1.5-2倍的锥形孔，主要为了降低热应力和熔化喷射应力的影响，再用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片基体部分。此外，利用高频感应加热辅助条件来改变激光加工的环境，降低涡轮叶片基体与陶瓷层的温度梯度，也将对消除分层开裂现象带来好处。
附图说明
图1为散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切锥形孔示意图。
图2为用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片气膜冷却孔示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，在带热障涂层镍基高温合金涡轮叶片1上加工直径为0.5mm、倾斜角度为50°的气膜冷却孔，涡轮叶片1厚度2mm，涡轮叶片1表面涂有热障涂层，热障涂层包括粘结层2和陶瓷层3，粘结层2厚度约为0.1mm，陶瓷层3的厚度约为0.3mm，粘结层2材料为NiCoCrAlY，陶瓷层3材料为6％-8％Y2O3的ZrO2，涡轮叶片1材料为镍基高温合金，型号为Inconel718。
参照图1和图2，一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，包括下述步骤：
1)利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切锥形孔，同时用高频感应加热涡轮叶片基体部分，具体为：
①将带热障涂层的镍基高温合金涡轮叶片1固定在激光设备的工作台上，根据气膜冷却孔9的倾斜角度调节激光头4与涡轮叶片1的夹角，在激光功率一定的条件下应当确保合适的离焦量，离焦量过大，不能去除陶瓷材料，离焦量过小，激光热源对界面处热影响太大，因此本方案中，调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光的离焦量为5mm；
②根据热障涂层的厚度和气膜冷却孔9的倾斜角度设定加工工艺参数，使其能旋切出具有较好质量的锥形孔8，且对涡轮叶片基体有较小的热影响，故调节激光参数为：调整激光峰值功率为12KW，激光脉冲宽度为0.4ms，重复频率为65HZ，施加辅助气体压力为0.4Mpa；
③应当根据热障涂层的厚度及其相应的激光参数，设定旋切速度、旋切次数，在控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4mm/s、旋切次数为3次；
④高频感应的工作功率直接影响到陶瓷层3与涡轮叶片1基体的温度梯度，选取的高频感应工作功率应当使加工气膜冷却孔时陶瓷层3和涡轮叶片1基体的温度梯度最小，因此，调节高频感应7工作频率为25KW，预热到基体温度基本恒定，此时激光旋切陶瓷层3时，陶瓷层3和涡轮叶片1基体界面处产生的温度梯度最小，打开激光器，用旋切方法在陶瓷层上加工锥形孔8；
2)用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片基体部分孔，具体为：
①根据气膜冷却孔9的倾斜角度设定激光头4的倾斜角度，为了提高加工效率，保证加工质量，应调节激光参数为：调整激光峰值功率为16KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为20HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；
②调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光焦点位于锥形孔8底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片1基体部分直到气膜冷却孔9孔成型。
陶瓷层上旋切的锥形孔8的孔径为涡轮叶片1基体孔径1.5-2倍。
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。

Claims (2)

1.一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切锥形孔，同时用高频感应加热涡轮叶片基体部分，具体为：
①将涡轮叶片固定在激光设备的工作台上，根据气膜冷却孔的倾斜角度调节激光头与涡轮叶片的夹角，调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使其激光的离焦量为5mm～8mm；
②调节激光参数：调节激光峰值功率为12～14KW，激光脉冲宽度为0.2～0.5ms，重复频率为60～70HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；
③控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.3～0.5mm/s、旋切次数为2～3次；
④调节高频感应工作频率为20～25KW，预热涡轮叶片基体到温度恒定，打开激光器，用旋切方法在涡轮叶片陶瓷层上加工锥形孔；
2)用聚焦毫秒激光加工涡轮叶片基体部分孔，具体为：
①调节激光参数：调整激光峰值功率为14～16KW，激光脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为20～30HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；
②调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使激光焦点位于锥形孔底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片基体部分直到气膜冷却孔成型。
2.根据权利要求1所述的一种带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔的制备方法，其特征在于：所述的在涡轮叶片陶瓷层上旋切的锥形孔的孔径为涡轮叶片基体孔径1.5-2倍。
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