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