CN114850663A - 用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法 - Google Patents
用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，包括以下步骤：步骤一：矫正脉冲激光并将激光汇聚在工件上；步骤二：开启脉冲激光，利用扫描振镜光学控制系统控制光束沿填充的螺旋线运动；步骤三：停止扫描振镜光学控制系统以及脉冲激光，启动辅助吹气系统进行间歇冷却；步骤四：间歇冷却完成后，重复步骤二以及步骤三，完成气膜孔的加工；本发明对喷涂有热障涂层的工件加工质量得到显著提升，气膜孔周围热影响区小，且热障涂层和工件基底的剥离情况得到了极大的改善，显著提高了气膜孔的加工质量，大幅提升了航空发动机气膜孔激光加工的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法。
背景技术
为提高航空发动机、燃气轮机的燃油效率和推重比，一般采用提高内部燃烧室的温度的方法，然而现有工件材料的耐受温度有限。因此，冷却法在航空发动机、燃气轮机上广泛使用，在进行冷却的过程中一般需要用到气膜孔，气膜孔一般采用激光加工，在激光加工气膜孔时，高能激光束聚焦在工件表面，材料吸收激光能量快速转化成热能，其中一部分热量用以提供材料的液化/气化热，被加工喷出物带走，同时另一部分热量在工件表面进行积累，并通过工件材料缓慢热传导，被辅助吹气系统缓慢冷却。加工过程中热量不断累积，会使孔周围的材料温度长时间处于较高水平，孔周围材料易与空气发生反应，形成氧化层，且现有技术中，在加工覆盖有热障涂层的工件时，由于涂层和基体材料的热胀系数、弹性模量等差距大，当热量积累引起界面的温度超过一个阈值后，就会对孔周围的热障涂层与基底界面造成很大的损伤，导致涂层和基底的粘附性下降，容易导致涂层剥离，导致气膜孔质量下降，影响发动机稳定性和工作寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，包括以下步骤：
步骤一：矫正脉冲激光并将激光汇聚在工件上；
步骤二：开启脉冲激光，利用扫描振镜光学控制系统控制光束沿填充的螺旋线运动；
步骤三：停止扫描振镜光学控制系统以及脉冲激光，启动辅助吹气系统进行间歇冷却；
步骤四：间歇冷却完成后，重复步骤二以及步骤三，完成气膜孔的加工。
优选的，所述工件为厚度为2mm的高温合金，所述工件表面涂覆有热障涂层，所述热障涂层为350μm的陶瓷热障涂层，所述热障涂层与所述工件之间喷涂有粘接层，所述粘接层厚度为150μm，所述步骤二中完成一个螺旋线运动后，去除工件表面一层热障涂层。
优选的，所述脉冲激光功率为150-300W，脉宽为200-240ns，单脉冲能量为1-2mJ，重复频率为100-150kHz，所述脉冲激光的间歇时间为6-10μs。
优选的，所述螺旋线最大直径为0.2-0.8mm，所述扫描振镜光学控制系统控制光束的移动速度为200-1000mm/s，所述螺旋线间隔为2-5μm，所述螺旋线加工时间为0.05-0.2s。
优选的，所述辅助吹气系统的压力为0.6-0.8MPa，所述辅助吹气系统的间歇冷却时间为0.1-0.3s。
优选的，所述步骤四中重复步骤二以及步骤三的次数为10-50次。
优选的，所述步骤二中工件倾斜0-75°进行加工。
优选的，所述步骤一中汇聚脉冲激光的装置为聚焦透镜，所述步骤二中发射脉冲激光的设备为纳秒脉冲光纤激光器，所述步骤二中控制脉冲激光沿螺旋线运动的设备为扫描振镜光学控制系统。
本发明公开了以下技术效果：本发明加工完成每个填充的螺旋线就停歇一次，相较于现有技术中至今行进冲击打孔，本发明去除材料效率更高，且有利于粉尘、熔渣的排出；本发明利用辅助吹气系统进行间歇冷却，使气膜孔周围温度控制在热障涂层剥离的阈值温度以下，保证了热障涂层的稳定性，同时使温度接近阈值温度，使平均温度较高，便于后续加工；本发明采用的激光加工方法，相较于连续脉冲串加工，其热障涂层和衬底粘接更加牢固，不会出现涂层剥离的现象；本发明间歇时间严格可控，能够灵活的用于不同场景上，适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明气膜孔结构示意图；
图2为传统无间歇式气膜孔加工曲线图；
图3为本发明间歇式气膜孔加工曲线图；
图4为传统无间歇工件实物剖面图；
图5为本发明间歇式加工工件实物剖面图；
其中：1-热流方向，2-气膜孔，3-脉冲激光入射方向，4-热障涂层，5-粘接层，6-工件，7-剥离裂纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-5，本发明提供一种用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔2加工方法，包括以下步骤：
步骤一：矫正脉冲激光并将激光汇聚在工件6上；将脉冲激光汇聚有利于对工件6表面进行加工。
步骤二：开启脉冲激光，利用扫描振镜光学控制系统控制光束沿填充的螺旋线运动；螺旋线能够保证气膜孔2孔径，使其孔径便于控制，螺旋线的运动轨迹由计算机程序控制。
步骤三：停止扫描振镜光学控制系统以及脉冲激光，启动辅助吹气系统进行间歇冷却；利用辅助吹气系统对气膜孔2加工进行冷却，对热障涂层4起到保护作用，抑制气膜孔2附近热障涂层4损伤。
步骤四：间歇冷却完成后，重复步骤二以及步骤三，完成气膜孔2的加工。在每次螺旋线加工结束之后均进行间歇冷却，使温度稳定在热障材料阈值温度以下，保证热障材料与工件6基底的粘结性能。
进一步优化方案，工件6为厚度为2mm的高温合金，工件6表面涂覆有热障涂层4，热障涂层4为350μm的陶瓷热障涂层，热障涂层4与工件6之间喷涂有粘接层5，粘接层5厚度为150μm，步骤二中完成一个螺旋线运动后，去除工件6表面一层热障涂层4。参照图1,附图标记1为加工过程中热流方向，加工过程中热流影响粘接层5粘结性能，附图标记3为脉冲激光入射方向，按照预定角度加工气膜孔2。
进一步优化方案，脉冲激光功率为300W，脉宽为240ns，单脉冲能量为2mJ，重复频率为150kHz，脉冲激光的间歇时间为6μs。
进一步优化方案，根据脉冲激光的移动速度、螺旋线间隔、螺旋线最大直径确定螺旋线加工时间。
进一步的，螺旋线最大直径为0.5mm，扫描振镜光学控制系统控制光束的移动速度为500mm/s，螺旋线间隔为2μm，螺旋线加工时间为0.1s。
进一步优化方案，根据脉冲激光参数和辅助吹气系统吹气参数确定辅助吹气系统的间歇冷却时间。
进一步的，辅助吹气系统的压力为0.8MPa，辅助吹气系统的间歇冷却时间为0.2s。
进一步优化方案，步骤四中重复步骤二以及步骤三的次数为50次。
进一步优化方案，步骤二中工件6倾斜25°进行加工。当脉冲激光通过聚焦透镜聚集在工件6表面时，除去脉冲激光与材料相互过程中液化和气化所需能量外，一部分能量传递到加工区域对工件6进行不断加热，一部分通过辅助吹气系统将热量带走，一部分通过气膜孔2传导至表面进行自然散失，在加工倾斜角度下的气膜孔2时，当气膜孔2没有完全加工通透的时间段，由于热传导的作用会更显著地发生在离涂层更近的气膜孔2锐角边处，从而导致热影响的面积更大。
进一步优化方案，步骤一中汇聚脉冲激光的装置为聚焦透镜，步骤二中发射脉冲激光的设备为纳秒脉冲光纤激光器，步骤二中控制脉冲激光沿螺旋线运动的设备为扫描振镜光学控制系统。
传统脉冲串进行连续加工时，如图2所示，t11时刻脉冲激光开启，其扫描振镜控制控制系统控制脉冲激光束螺旋线式移动去除材料，工件6表面的材料热积累温度不断升高，同时由于热传导增加，辅助气体的散热效率也会增加，在t12时刻加热和冷却散热达到平横，温度达到一个稳态，温度不再继续升高。但其稳定状态下温度高于热障涂层4能承受的阈值温度，导致热障涂层4的损伤和剥离，形成剥离裂纹7。
本发明进行加工时，如图3所示，脉冲激光在t21时刻开始加工，纳秒脉冲光纤激光器和扫描振镜开启，热积累逐渐升高；在t22时刻加工完一个螺旋线时(t22-t21为优化后0.1秒)，由于加工时间短，其附近温度没有到达热障涂层4的损伤阈值，热障涂层4没有受损。同时，在此刻t22时，将扫描振镜和纳秒脉冲光纤激光器同时停止一段时间直到t23时刻(t23-t22为优化后0.2秒)，期间辅助吹气系统持续进行冷却，使热障涂层4温度进一步降低，然后进行下一个螺旋线的加工，最后逐层去除热障涂层4，t24时刻将整个气膜孔2打穿完成气膜孔2的加工，整个加工过程中，热累计下的温度始终保持在热障涂层4受损阈值温度以下，热障涂层4不会受到破坏，从而完全保护热障涂层4与工件6的粘结，不会出现剥离裂纹7。
传统纳秒脉冲串加工气膜孔2的加工方式加工的产品的截面参照图4，传统加工方式加工后热障涂层4和工件6合金基底之间出现大概1毫米的剥离区域；采用本发明加工方式加工的产品截面参照图5，热障涂层4和工件6合金基底的粘结情况良好，没有出现热障涂层4剥离的现象，故本发明加工方法在脉冲激光加工气膜孔2中对热障涂层4剥离的抑制效果十分明显。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：矫正脉冲激光并将激光汇聚在工件上；
步骤二：开启脉冲激光，利用扫描振镜光学控制系统控制光束沿填充的螺旋线运动；
步骤三：停止扫描振镜光学控制系统以及脉冲激光，启动辅助吹气系统进行间歇冷却；
步骤四：间歇冷却完成后，重复步骤二以及步骤三，完成气膜孔的加工。
2.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述工件为厚度为2mm的高温合金，所述工件表面涂覆有热障涂层，所述热障涂层为350μm的陶瓷热障涂层，所述热障涂层与所述工件之间喷涂有粘接层，所述粘接层厚度为150μm，所述步骤二中完成一个螺旋线运动后，去除工件表面一层热障涂层。
3.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述脉冲激光功率为150-300W，脉宽为200-240ns，单脉冲能量为1-2mJ，重复频率为100-150kHz，所述脉冲激光的间歇时间为6-10μs。
4.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述螺旋线最大直径为0.2-0.8mm，所述扫描振镜光学控制系统控制光束的移动速度为200-1000mm/s，所述螺旋线间隔为2-5μm，所述螺旋线加工时间为0.05-0.2s。
5.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述辅助吹气系统的压力为0.6-0.8MPa，所述辅助吹气系统的间歇冷却时间为0.1-0.3s。
6.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述步骤四中重复步骤二以及步骤三的次数为10-50次。
7.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述步骤二中工件倾斜0-75°进行加工。
8.根据权利要求1所述的用于抑制热障涂层剥离的纳秒激光间歇式气膜孔加工方法，其特征在于：所述步骤一中汇聚脉冲激光的装置为聚焦透镜，所述步骤二中发射脉冲激光的设备为纳秒脉冲光纤激光器，所述步骤二中控制脉冲激光沿螺旋线运动的设备为扫描振镜光学控制系统。
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| CN115922112A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-04-07 | 星控激光科技(上海)有限公司 | 用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置和方法 |
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