CN117047287A - 一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法 - Google Patents

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杨淞皓
于真鹤
陈慧斌
钱昆
杨林青
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Abstract

一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,属于航空发动机技术领域。本发明采用飞秒激光器或纳秒激光器对Ti2AlNb表面进行预处理,形成超亲液微结构纹理,包括以下步骤:步骤1.将Ti2AlNb合金固定在工作台;步骤2.将激光器的激光焦点对准待加工合金,设置激光加工参数,对合金表面进行加工,制备不同构型及尺寸的微结构。Ti2AlNb合金经激光加工完成后,提高Ti2AlNb表面的亲液性能,且母材没有裂纹产生,同时减少了钎焊预处理步骤,提升了多工序集成的可行性,为提高后续钎焊表面处理的自动化水平做技术储备。

Description

一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域,涉及一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法。
背景技术
航空航天领域最突出的问题就是发动机的问题,发动机材料一直制约着当代航空航天领域的迅速发展。Ti2AlNb合金是一种可用于650℃~800℃的高温轻质材料,是理想的发动机材料。不可避免的涉及到其自身或与其他合金之间的连接问题,钎焊因其工序简单、成本低廉、可批量生产而广泛的应用。在钎焊过程中,钎料能否在母材表面铺展开来,对焊接的性能起着决定性作用,若钎料铺展较差,容易出现脱钎、漏钎、溢钎等缺陷。为解决上述问题,生产中常用机械打磨、喷砂、酸洗等手段改善材料表面性质,增强钎焊性能。
研究表明材料表面的亲润性与材料的表面能及表面粗糙度均有关系。而使用激光加工亲液微结构,既可以改变被加工表面的粗糙度,又可以改变被加工表面的元素含量,可以同时调控粗糙度和表面能。材料亲液性越强,钎焊过程中钎料在表面铺展效果越好,最终钎焊性能越好。而在Ti2AlNb表面加工各种各样的微结构如纳米条纹、微立方体阵列、微坑阵列等,可以促进液态金属在材料表面的润湿铺展性能,提高材料的亲液性能。
激光加工因其非接触、加工区域灵活、自动化程度高等特点成为提升润湿性的有力手段。超快激光因其超短的作用时间,可以高效实现微米级尺寸、特殊形状、极致精度的加工,具有加工精度高、热扩散效应小等一系列优点,所加工材料材料表面无熔化痕迹,边缘光滑、清洁,无飞溅物。因此,本发明采用超快激光加工法,采用飞秒激光器对Ti2AlNb表面进行预处理,形成超亲液微结构纹理,提高Ti2AlNb表面的亲液性能,为提高后续钎焊表面处理的自动化水平做技术储备。
发明内容
本发明目的是提出一种钎焊前预处理的新方式,有望提升钎料与母材的亲润性,减少钎焊预处理步骤,提升多工序集成的可行性。
为实现上述目的,本发明将采用以下技术方案:
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,包含以下步骤:
步骤1. 将Ti2AlNb合金固定在工作台;
步骤2. 将激光器的激光焦点对准待加工合金,设置激光加工参数,对合金表面进行加工,制备不同构型及尺寸的微结构。
所述步骤1中,Ti2AlNb合金为平板或圆环结构。
所述步骤2中,激光器为纳秒或飞秒激光器;其中,纳秒激光器功率为100 W~200W,扫描速度为500 mm/s~1500 mm/s,扫描频率为20 kHz;飞秒激光功率为5 W~10 W,扫描速度为5 mm/s~200 mm/s,扫描频率为200 kHz。
所述激光入射角为θ=0°~20°。
所述步骤2中,构型为栅格微型结构和点阵微型结构中的一种,其中栅格微型结构由纳秒激光器加工5次~15次或飞秒激光器加工10次~20次所得;点阵微型结构由纳秒激光器加工10次~20次或飞秒激光器加工20次~30次所得。
所述步骤2中,栅格的沟槽深度为10μm~50μm,沟槽宽度为100μm,相邻沟槽之间的间距为100μm~500μm;点阵型微结构的凹坑间距为100μm~500μm,直径为100μm~200μm。
所述微结构尺寸和构型需要精确控制,加工完成后的微结构形貌与设计的保持一致;
所述Ti2AlNb合金经激光加工完成后,母材没有裂纹产生,且合金表面亲润度提升了13%~210%。
与现有技术相比,本发明的有益之处为:
1. 使用激光在Ti2AlNb表面加工亲液微结构,在保持钎焊效果的同时节省了多工序周转的耗时,为后续钎焊表面处理的自动化水平提升做好技术储备。
2. Ti2AlNb为难加工硬脆材料,可焊性差,焊接难度大,本发明使用飞秒激光器在Ti2AlNb表面加工出微结构,改变材料表面的化学性质,使钎料在微结构沟槽之间流动,提升Ti2AlNb母材的亲润度,最高可提升210%,同时通过优选的工艺方案可避免加工过程中裂纹的生成。
附图说明
图1为栅格亲液微结构加工示意图。
图2为点阵亲液微结构加工示意图。
图3为圆环类零件加工示意图。
图4为实施例1中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图5为实施例2中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图6为实施例3中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图7为实施例4中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图8为实施例5中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图9为实施例6中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图10为实施例7中经激光加工后合金表面结构示意图及其表面亲润度示意图。其中,(a)为表面结构示意图,(b)为表面亲润度示意图。
图11为未经过激光加工的Ti2AlNb合金表面亲润度示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例进一步阐述本发明的内容。
为便于表征被加工表面的亲液性能,用钎料铺展直径/钎料高度的比值表示亲润度。亲润度数值越大表示亲液性能越好。
实施例1
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图1所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将纳秒激光器的激光焦点对准待加工合金,对合金表面加工5次,制备出沟槽深10μm,宽100μm,沟槽间距为100μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为100W,扫描速度为1000mm/s,扫描频率为20kHz。结果如图4所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为68。
实施例2
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图2所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将飞秒激光器的激光焦点对准Ti2AlNb合金表面,对合金表面加工30次,制备出凹坑间距为200μm,直径为150μm的点阵型微结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为10W,扫描速度为200mm/s,扫描频率为200kHz。结果如图5所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为39。
实施例3
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图3所示,包括如下步骤:
1)将圆环结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将纳秒激光器的激光焦点对准圆环结构内圆表面,对内圆表面加工5次,制备出沟槽深10μm,宽100μm,沟槽间距为100μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为10°,激光器功率为150W,扫描速度为1000mm/s,扫描频率为20kHz。结果如图6所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为62。
实施例4
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图3所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将纳秒激光器的激光焦点对准Ti2AlNb合金表面,对合金表面加工10次,制备出沟槽深20μm,宽100μm,沟槽间距为100μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为100W,扫描速度为1000mm/s,扫描频率为20kHz。结果如图7所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为37。
实施例5
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图3所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将纳秒激光器的激光焦点对Ti2AlNb合金表面,对合金表面加工15次,制备出沟槽深45μm,宽100μm,沟槽间距为200μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为100W,扫描速度为1000mm/s,扫描频率为20kHz。结果如图8所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为28。
实施例6
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图3所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将纳秒激光器的激光焦点对准Ti2AlNb合金表面,对合金表面加工20次,制备出沟槽深35μm,宽100μm,沟槽间距为300μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为100W,扫描速度为1000mm/s,扫描频率为20kHz。结果如图9所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为25。
实施例7
一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,如图3所示,包括如下步骤:
1)将平板结构的Ti2AlNb合金固定在工作台上;
2)将飞秒激光器的激光焦点对准Ti2AlNb合金表面,对合金表面加工20次,制备出沟槽深30μm,宽200μm,沟槽间距为400μm的栅格微型结构。
其中,激光入射角为0°,激光器功率为10W,扫描速度为200mm/s,扫描频率为200kHz。结果如图10所示,经激光加工后,Ti2AlNb合金母材没有裂纹产生,合金表面亲润性良好,其亲润度为30。
除此之外,还对未加工微结构的Ti2AlNb合金亲润度进行了表征,结果如图11所示,其亲润度为22。根据对比可知,经过激光加工后的合金表面亲润度大大提升。
本发明中,通过控制激光参数,使加工完成后的微结构符合设计预期;通过调整激光入射角,避免激光光路与零件发生干涉;将内圆面分为多个区域,通过控制扫描范围,逐个扫描每一区域,完成整个内圆表面的亲液微结构加工。

Claims (6)

1.一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,包含以下步骤:
步骤1. 将Ti2AlNb合金固定在工作台;
步骤2. 将激光器的激光焦点对准待加工合金,对合金表面进行加工,制备不同构型及尺寸的微结构;其中,构型为栅格微型结构或点阵微型结构中的一种;
所述栅格的沟槽深度为10μm~50μm,沟槽宽度为100μm,相邻沟槽之间的间距为100μm~500μm;点阵型微结构的凹坑间距为100μm~500μm,直径为100μm~200μm。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,所述步骤1中,Ti2AlNb合金为平板或圆环结构。
3.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,所述步骤2中,激光器为纳秒激光器或飞秒激光器,激光入射角为θ=0°~20°。
4.根据权利要求3所述的一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,所述纳秒激光器功率为100 W~200 W,扫描速度为500 mm/s~1500 mm/s,扫描频率为20 kHz。
5.根据权利要求3所述的一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,所述飞秒激光功率为5 W~10 W,扫描速度为5 mm/s~200 mm/s,扫描频率为200 kHz。
6.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法,其特征在于,所述步骤2中,栅格微型结构由纳秒激光器加工5次~15次或飞秒激光器加工10次~20次所得;点阵微型结构由纳秒激光器加工10次~20次或飞秒激光器加工20次~30次所得。
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