哈工大|飞秒激光螺旋打孔的工艺适用性及孔壁微观结构演化机理

摘要：镍基高温合金因其卓越的高温服役性能和强大的微观结构稳定性而广泛用于航空航天、核电和能源工业。在航空航天领域，发动机的性能直接决定了飞行器的推力与效率，而燃料喷嘴作为发动机中的关键部件，其加工质量直接影响燃料的喷射效果和燃烧效率。激光打孔主要依靠其极高功率密度来

高能束加工技术高能束加工技术及应用 长三角G60激光联盟陈长军转载

来自哈尔滨工业大学的研究者在Optics and Laser Technology国际期刊上发表论文Process applicability and hole wall microstructure evolution mechanism of femtosecond laser spiral drilling。

论文导读

镍基高温合金因其卓越的高温服役性能和强大的微观结构稳定性而广泛用于航空航天、核电和能源工业。在航空航天领域，发动机的性能直接决定了飞行器的推力与效率，而燃料喷嘴作为发动机中的关键部件，其加工质量直接影响燃料的喷射效果和燃烧效率。激光打孔主要依靠其极高功率密度来诱导局部材料熔化和蒸发以去除材料。因此，飞秒激光打孔技术提供了更高的尺寸精度和加工效率，几乎可以在所有材料上加工微小的结构，而不会产生热影响区。近年来，飞秒激光加工技术渐成为微孔加工的首选方案。相比于传统的冲击打孔和环切打孔，螺旋打孔可以在材料内产生更宽的空腔。这些较大的空腔有效地为去除打孔过程中产生的碎屑和等离子体提供了通道，助于烧蚀羽流的排出，防止了孔内凝固导致的加工质量缺陷。

Laser & Electron Beam Processing

全文概述

为了解决微孔加工过程中的侧壁粘附问题，本文使用了一种带有旋转楔形扫描模块的螺旋打孔方法。结合两步打孔策略，在保证加工效率的同时实现柔性去除粘连，进一步提高打孔质量。研究了不同打孔策略对微孔侧壁粗糙度的影响。经过工艺优化后，微孔侧壁的粗糙度降低到 Rq 0.4 μm 以下，与传统的一步式打孔策略相比，大约减少了8%。微孔侧壁的微观结构基本保持不变。对微孔侧壁的分析表明存在周期性微观结构。当以低粗糙度为目标时，可以通过纵激光器的单脉冲能量来调整这些周期性微结构的几何特性。这些实验结果为优化飞秒激光打孔工艺提供了新的视角，并为未来实际燃料喷射效果的增强提供了理论支持。

图文解析

图1为飞秒激光螺旋打孔结果。在图1(a)中观察到微孔入口附近存在 20μm的层状物质，图1(b)显示了层状物质的微观形态，其粗糙度为5.22μm。对层状物进行成分分析，表现出高含量的氧和碳，作者认为这是高能激光束加工时材料出现氧化导致的。同时还在层状物质上发现了LIPSS结构。为了分析层状物质的成因，作者进行了进行了图扫描成分分析，发现层状物质是由许多微小颗粒组成。这是因为在微孔加工过程中，等离子体和高温碎片在反冲压力下粘附在微孔的侧壁上，形成这种层状物质。图1(c)中显示，在孔深处出现了垂直条纹，作者认为这是由于飞秒激光打孔过程中光束干扰引起的加工不稳定性引起的，这会对微孔质量产生负面影响。

图1. (a)螺旋钻法侧壁形貌及粗糙度测量区域，(b)微孔上部区域放大图及粗糙度测量结果。(c)微孔下部区域放大图及粗糙度测量结果。(d)区域放大图及片层物质成分分析。(e)片层物质图谱扫描成分分析。

为了获得更高的孔质量，作者改变了不同的工艺参数，并对孔粗糙度进行了进一步研究。图2为具体结果。结果表明，单独使用高能量进行加工时，微孔侧壁的粗糙度往往会随着单脉冲能量的增加而增加。较高能量的激光加工会导致更多的材料沉积在微孔的侧壁上，从而导致粗糙度总体增加。在较低能量的加工下，孔壁会形成不规则的条纹。这是因为激光能量不足，材料去除不均匀导致。

图2. 不同工艺参数下微孔侧壁粗糙度的统计结果。

为了进一步提高打孔质量，提出了一种两步打孔方法。先螺旋打孔以形成通孔，然后进行环形打孔以去除微孔侧壁上的不规则层状物质。这是因为螺旋打孔边缘激光能量相对较低，会导致孔壁出现层状结构，使用环切打孔对边缘层状结构进行去除，如图3所示。孔粗糙度降低至0.39μm。通孔的存在显著增加了孔内的空气流速，使过程中产生的等离子体和碎屑能够从出口流出，而不是重新附着在微孔侧壁上。