CN105269158A - 一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法 - Google Patents

Abstract

一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，利用激光加工带热障涂层涡轮叶片上小孔时，采用分步加工的思想，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初加工孔径1.5-2倍的斜直孔，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，并留有加工余量，主要用来改变熔融物流体喷射路径和方向，降低涂层及其界面处的喷射机械应力；最后利用小能量散焦激光旋切去除余量，主要为了降低高能激光对材料系统的热影响，降低材料的热应力，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冷却孔的高能激光分步加工方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片的激光加工技术领域，特别涉及一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法。

背景技术

近年来，随着航空航天和能源技术的进步，航空发动机、燃气轮机正在向着高流量比、高推重比、高涡轮燃气温度方向发展。涡轮是承受航空发动机热负荷和机械负荷最大的部件，承受着高温高压燃气的冲击，而避免过高的温度则需要靠冷却技术和材料的改善来解决。一方面，气膜冷却技术现已成为涡轮叶片最具代表性的冷却技术，同时冷却孔空间分布角度复杂，大多为斜孔，而且数量很多；另一方面，热障涂层是由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统，对于基底材料起到隔热作用，为涡轮热端部件提供了安全的环境，可以解决部分温度过高的问题。在上述前提下，对带涂层的涡轮叶片采用激光打孔方法，由于能够一次加工成型，省去了传统工艺所需的后续修整工艺，能够大大缩短气膜冷却孔的制备周期，降低冷却孔制备成本，保证加工质量，提高加工效率；另外由于激光打孔工艺不需要工作电极和复杂的工装系统，且易于加工像陶瓷这类高硬度、非导电材料，所以与电解加工、电火花加工、传统的钻削加工相比，激光加工有着较高的加工效率，具有很好的应用前景。

激光加工虽然作为航空发动机领域制孔的先进工艺和主要方法，但也存在一些固有的缺陷。其一，陶瓷涂层和金属基体之间热膨胀系数的差异导致的分层开裂问题。带热障涂层的基体属于多层材料系统，金属基体、粘结层、表面陶瓷隔热层材料之间的热膨胀系数、弹性模量等物理性质差异较大，在激光加工过程中，由于陶瓷具有较低的热传导系数，造成陶瓷层、粘结层、基体之间因热膨胀系数不匹配而产生巨大的热应力，此应力直接作用于涂层界面使其出现分层开裂现象。其二，激光点热源加工陶瓷涂层材料存在的裂纹问题。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，利用材料的蒸发和液态喷溅去除材料，尤其在利用激光加工陶瓷材料时，由于陶瓷属于脆硬材料，局部受到较大热冲击时易产生裂纹。其三，激光加工斜孔时熔融物喷射造成的机械应力问题。当激光加工孔时，在孔未穿透前，去除的材料以熔化和气化的形式从孔口喷射出去，高速高压的熔融金属对孔壁产生巨大的机械应力，一方面以力矩的形式作用于斜孔的出口前沿处，使凸起的陶瓷层有扭转的趋势；另一方面，以剪切应力作用于孔壁的陶瓷层和基体，由于陶瓷材料弹性模量较大，受到相同剪切应力作用时具有较小的变形，致使陶瓷层和基体以及粘结层之间变形不一致，这些均会导致出现分层开裂现象。因此，激光加工带涂层基体孔时，如何更好地解决激光制孔过程中涂层分层开裂和涂层裂纹问题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分步加工方法，综合散焦、聚焦的变换以及旋切式、直冲式两种制孔方式相结合的优势，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和涂层裂纹现象，提高加工效率，保证加工孔的质量，而且可加工直径0.2mm-1mm小孔。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，包括以下步骤：

1)利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔，将陶瓷层部分旋切去除，具体为：

1.1)将带热障涂层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4mm～6mm；

1.2)调节激光参数：激光峰值功率为10～12KW，激光脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为40～60HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

1.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.2～0.5mm/s，旋切次数为2～3次以及需要加工的孔径大小；

1.4)开启激光器，在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔；

2)利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片基体部分上的孔，并使孔留有加工余量，具体为：

2.1)调节激光参数：激光峰值功率为8～10KW，激光脉冲宽度为0.2～0.3ms，重复频率为40～50HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

2.2)调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使激光焦点位于步骤1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔的底部，并留有加工余量，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片基体部分，直到气膜冷却孔打通，至此完成了气膜冷却孔的初步加工；

3)利用散焦小能量激光旋切去除步骤2)留有的加工余量，加工成型气膜冷却孔，具体为：

3.1)调节激光参数：激光峰值功率为6～8KW，激光脉冲宽度为0.3～0.4ms，重复频率为50～60HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

3.2)调节激光头与涡轮叶片基体上初步加工后所得通孔孔口处的距离，使其激光的离焦量为5mm～6mm；

3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.3～0.5mm/s，旋切次数为2～3次以及所要求加工的孔径大小，打开激光器进行涡轮叶片基体部分的旋切，去除留有的加工余量，至此完成气膜冷却孔的加工。

所述的涡轮叶片陶瓷层上旋切孔的孔径为涡轮叶片基体上初加工孔孔径的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，采用分步加工的思想，使得加工过程中机械应力和热应力最小化，即先利用散焦毫秒激光旋切去除冷却孔的陶瓷部分，再用聚焦毫秒激光加工基体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，加工成型气膜冷却孔。首先，分步加工涂层和基体材料旨在避免凸起现象的产生、降低热应力，加工余量用来改变熔融物流体喷射路径和方向，降低涂层及其界面处的喷射机械应力。其次，散焦毫秒激光加工陶瓷涂层，主要是为了降低高能激光对材料系统的热影响，降低材料的热应力，也将对消除分层开裂现象带来好处。

附图说明

图1为利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔示意图。

图2为利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片气膜冷却孔示意图。

图3为利用散焦小能量激光旋切去除加工余量，加工成型气膜冷却孔示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

在带热障涂层镍基高温合金涡轮叶片1上加工直径为0.6mm、倾斜角度为60°的气膜冷却孔，涡轮叶片1(材料为镍基高温合金，型号为Inconel718)厚度约为2mm，涡轮叶片1表面涂有热障涂层(由粘结层2和陶瓷层3组成)，粘结层2(材料为NiCoCrAlY)厚度约为0.1mm，陶瓷层3(材料为6％-8％Y₂O₃的ZrO₂)厚度约为0.3mm。

实施例1

参照图1、图2和图3，一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，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斜直孔，将陶瓷层部分旋切去除，目的是为了减小高能激光加工陶瓷材料时的热冲击，具体为：

1.1)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，根据成型气膜冷却孔9的倾斜角度(此处为60°)调节激光头4与涡轮叶片1的夹角，为使激光热源对陶瓷界面热影响不致太大和陶瓷材料的有效去除，因此调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光的离焦量为6mm；

1.2)根据热障涂层的厚度和成型气膜冷却孔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斜直孔5，且对涡轮叶片基体有较小的热影响，故调节激光参数为：激光峰值功率为12KW，激光脉冲宽度为0.6ms，重复频率为60HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；

1.3)采用旋切式打孔方式，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，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.5mm/s，旋切次数为3次，旋切孔半径为0.3mm；

1.4)开启激光器，在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔5；

2)利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片基体部分上的孔，并使孔留有加工余量，目的是为了改变熔融物流体喷射路径和方向,减小金属熔融物喷射对陶瓷层的机械应力影响，具体为：

2.1)根据成型气膜冷却孔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：激光峰值功率为10KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为40HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；

2.2)调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光焦点位于步骤1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔5底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片1基体部分直到初加工冷却孔8打通，至此完成了气膜冷却孔的初步加工；加工后留有的加工余量7，一般为0.1～0.2mm，参照图2，加工过程中有喷射的金属熔融物6，陶瓷层上旋切的斜直孔5的孔径为涡轮叶片1基体上初加工冷却孔8孔径的1.5～2倍；

3)用散焦小能量激光旋切去除步骤2)留有的加工余量7，加工成型气膜冷却孔9，目的是为了降低对孔壁的热影响，保证成型孔的加工质量，具体为：

3.1)调节激光参数：激光峰值功率为8KW，激光脉冲宽度为0.4ms，重复频率为50HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；

3.2)调节激光头4与涡轮叶片1基体上初步加工后所得通孔孔口处的距离，使其激光的离焦量为6mm；

3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.5mm/s、旋切次数为2次，设定旋切半径为0.3mm，打开激光器进行涡轮叶片基体部分的旋切，去除留有的加工余量7，至此完成成型气膜冷却孔9的加工。

实施例2

参照图1、图2和图3，一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，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斜直孔，将陶瓷层部分旋切去除，目的是为了减小高能激光加工陶瓷材料时的热冲击，具体为：

1.1)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，根据成型气膜冷却孔9的倾斜角度(此处为60°)调节激光头4与涡轮叶片1的夹角，为使激光热源对陶瓷界面热影响不致太大和陶瓷材料的有效去除，因此调节激光头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；

1.2)根据热障涂层的厚度和成型气膜冷却孔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斜直孔5，且对涡轮叶片基体有较小的热影响，故调节激光参数为：激光峰值功率为11KW，激光脉冲宽度为0.4ms，重复频率为40HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；

1.3)采用旋切式打孔方式，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，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.3mm/s，旋切次数为3次，旋切孔半径为0.3mm；

1.4)开启激光器，在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔5；

2)利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片基体部分上的孔，并使孔留有加工余量，目的是为了改变熔融物流体喷射路径和方向,减小金属熔融物喷射对陶瓷层的机械应力影响，具体为：

2.1)根据成型气膜冷却孔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：激光峰值功率为9KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为50HZ，施加辅助气体压力为0.4Mpa；

2.2)调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光焦点位于步骤1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔5底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片1基体部分直到初加工冷却孔8打通，至此完成了气膜冷却孔的初步加工；加工后留有的加工余量7，一般为0.1～0.2mm，参照图2，加工过程中有喷射的金属熔融物6，陶瓷层上旋切的斜直孔5的孔径为涡轮叶片1基体上初加工冷却孔8孔径的1.5～2倍；

3)用散焦小能量激光旋切去除步骤2)留有的加工余量7，加工成型气膜冷却孔9，目的是为了降低对孔壁的热影响，保证成型孔的加工质量，具体为：

3.1)调节激光参数：激光峰值功率为7KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为50HZ，施加辅助气体压力为0.5Mpa；

3.2)调节激光头4与涡轮叶片1基体上初步加工后所得通孔孔口处的距离，使其激光的离焦量为5mm；

3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.3mm/s、旋切次数为3次，设定旋切半径为0.3mm，打开激光器进行涡轮叶片基体部分的旋切，去除留有的加工余量7，至此完成成型气膜冷却孔9的加工。

实施例3

参照图1、图2和图3，一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，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斜直孔，将陶瓷层部分旋切去除，目的是为了减小高能激光加工陶瓷材料时的热冲击，具体为：

1.1)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，根据成型气膜冷却孔9的倾斜角度(此处为60°)调节激光头4与涡轮叶片1的夹角，为使激光热源对陶瓷界面热影响不致太大和陶瓷材料的有效去除，因此调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光的离焦量为4mm；

1.2)根据热障涂层的厚度和成型气膜冷却孔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斜直孔5，且对涡轮叶片基体有较小的热影响，故调节激光参数为：激光峰值功率为10KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为50HZ，施加辅助气体压力为0.3Mpa；

1.3)采用旋切式打孔方式，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，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.2mm/s，旋切次数为2次，旋切孔半径为0.3mm；

1.4)开启激光器，在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔5；

2)利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片基体部分上的孔，并使孔留有加工余量，目的是为了改变熔融物流体喷射路径和方向,减小金属熔融物喷射对陶瓷层的机械应力影响，具体为：

2.1)根据成型气膜冷却孔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：激光峰值功率为8KW，激光脉冲宽度为0.2ms，重复频率为50HZ，施加辅助气体压力为0.3Mpa；

2.2)调节激光头4与涡轮叶片1预打孔位置的距离，使其激光焦点位于步骤1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔5底部，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片1基体部分直到初加工冷却孔8打通，至此完成了气膜冷却孔的初步加工；加工后留有的加工余量7，一般为0.1～0.2mm，参照图2，加工过程中有喷射的金属熔融物6，陶瓷层上旋切的斜直孔5的孔径为涡轮叶片1基体上初加工冷却孔8孔径的1.5～2倍；

3)用散焦小能量激光旋切去除步骤2)留有的加工余量7，加工成型气膜冷却孔9，目的是为了降低对孔壁的热影响，保证成型孔的加工质量，具体为：

3.1)调节激光参数：激光峰值功率为6KW，激光脉冲宽度为0.3ms，重复频率为60HZ，施加辅助气体压力为0.3Mpa；

3.2)调节激光头4与涡轮叶片1基体上初步加工后所得通孔孔口处的距离，使其激光的离焦量为5mm；

3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.3mm/s、旋切次数为3次，设定旋切半径为0.3mm，打开激光器进行涡轮叶片基体部分的旋切，去除留有的加工余量7，至此完成成型气膜冷却孔9的加工。

上述实施例的有益效果：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冷却孔的高能激光分步加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用散焦毫秒激光在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔，将陶瓷层部分旋切去除，具体为：

1.1)将带热障涂层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4mm～6mm；

1.2)调节激光参数：激光峰值功率为10～12KW，激光脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为40～60HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

1.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.2～0.5mm/s，旋切次数为2～3次以及需要加工的孔径大小；

1.4)开启激光器，在涡轮叶片陶瓷层上旋切斜直孔；

2)利用聚焦毫秒激光初步加工涡轮叶片基体部分上的孔，并使孔留有加工余量，具体为：

2.1)调节激光参数：激光峰值功率为8～10KW，激光脉冲宽度为0.2～0.3ms，重复频率为40～50HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

2.2)调节激光头与涡轮叶片预打孔位置的距离，使激光焦点位于步骤1)散焦旋切后所得陶瓷斜直孔的底部，并留有加工余量，用直冲式打孔方法加工涡轮叶片基体部分，直到气膜冷却孔打通，至此完成了气膜冷却孔的初步加工；

3)利用散焦小能量激光旋切去除步骤2)留有的加工余量，加工成型气膜冷却孔，具体为：

3.1)调节激光参数：激光峰值功率为6～8KW，激光脉冲宽度为0.3～0.4ms，重复频率为50～60HZ，施加辅助气体压力为0.3～0.5Mpa；

3.2)调节激光头与涡轮叶片基体上初步加工后所得通孔孔口处的距离，使其激光的离焦量为5mm～6mm；

3.3)采用旋切式打孔方式，在控制系统中编制激光旋切路径，设定旋切速度为0.3～0.5mm/s，旋切次数为2～3次以及所要求加工的孔径大小，打开激光器进行涡轮叶片基体部分的旋切，去除留有的加工余量，至此完成气膜冷却孔的加工。

2.根据权利要求1所述的一种带热障涂层涡轮叶片冷却孔的高能激光分步加工方法，其特征在于：所述的涡轮叶片陶瓷层上旋切孔的孔径为涡轮叶片基体上初加工孔孔径的1.5-2倍。