使用准连续波光纤激光器在MAR-M247超合金中钻削高纵横比微孔

《Optics & Laser Technology》：High-aspect-ratio microhole drilling in MAR-M247 superalloy using a quasi-CW fiber laser

镍基合金高深比冷却孔QCW激光加工研究。开发了含金刚砂和硅橡胶的抗溅射涂层有效抑制熔融材料飞溅，创新采用多边形冲击钻削结合环形精雕的混合加工法，系统对比脉冲钻削、环状钻削、多边形钻削及混合法，发现混合法可加工Φ0.5mm/29深比孔，锥度仅0.27°，并建立热影响区与显微组织演变的定量关系模型。

　　

陈珊珊|王如佳|毛凯良|胡哲|王斌|吕静|张文武

材料科学与化学工程学院，宁波大学，中国浙江省宁波市315211

摘要

镍基合金对于在重型燃气轮机中高温运行的部件至关重要。本研究探讨了准连续波（QCW）光纤激光在钻削这些材料的高长径比孔时的潜力。开发了一种由刚玉和硅胶组成的抗飞溅涂层，以抑制熔融材料的再沉积并提高孔的质量。此外，引入了一种多边形冲击钻削方法来应对钻削厚且长径比高的孔所面临的挑战。对四种钻削方法进行了系统比较：冲击钻削、扩孔钻削、N边形多边形钻削以及结合多边形冲击钻削和扩孔钻削的混合方法。研究结果表明，冲击钻削能够有效控制热量积聚，产生的微孔具有均匀的轮廓、最小的锥度、较低的粗糙度以及薄的再铸层，能够加工直径小于0.5毫米、长径比为29、锥度为0.08°的微孔。相比之下，扩孔钻削产生的孔壁较为直，但粗糙度较高且热损伤较大。N边形多边形钻削能够获得表面光滑且锥度最小的孔，但孔壁有明显的膨胀现象，再铸层最厚。混合方法则提供了平衡的性能，特别适合加工直径较大、长径比为11且锥度角非常低（0.27°）的孔。对混合方法加工的深孔进行微观结构分析，发现再铸层厚度随深度变化，并且孔周微观结构有明显的演变规律。通过对孔的上部、中部和下部进行EBSD分析，揭示了晶体结构的变化。结合硬度测试，这些分析阐明了晶粒形态与局部硬度变化之间的强烈相关性。

引言

重型燃气轮机在冷却技术和生产效率方面取得了突破。它们不仅可以使用天然气作为燃料，还可以与氢气共燃以减少碳排放[1]。此外，重型燃气轮机能够快速增加功率输出，从而为风能和光伏发电等可再生能源提供可靠的备用电源。重型燃气轮机在正常运行条件下，燃烧室内的典型燃烧温度在1100°C至1500°C之间。为了承受这种高温环境，通常使用镍基合金制造燃气轮机的热部件，因为它们具有出色的耐高温性能，并能在极端条件下保持强度和耐用性[2]。此外，燃气轮机配备了先进的冷却技术，其中薄膜冷却孔起着关键作用[3]。这些孔被战略性地布置和设计，用于将冷却空气输送到涡轮叶片和其他关键部件的表面，形成一层保护性冷却空气膜，防止它们受到燃烧气体的高温影响。

由于重型燃气轮机使用的叶片尺寸较大，因此需要加工深度大且长径比（孔的深度与其直径之比）高的孔[4]。确保这些孔的精确位置、形状和质量不仅对最佳冷却至关重要，也对保持叶片的空气动力效率至关重要。需要先进的制造技术来满足这些苛刻的要求。已经开发并改进了激光钻削[5]、电加工[6]等技术来制造这些复杂的冷却通道。其中，激光钻削因其能够在不直接接触材料的情况下加工出小而精确的孔（具有高长径比）而脱颖而出，从而将热损伤降至最低。

由于毫秒脉冲激光具有极高的脉冲能量，因此可以提供显著的处理效率，常用于加工厚且长径比高的孔[7]。然而，毫秒激光钻削仍面临许多挑战。首先，毫秒激光加工会在孔入口处产生明显的飞溅现象[8]。在激光钻削过程中，会产生大量的飞溅物。这些熔融材料随后重新固化并沉积在孔的周围，形成不希望出现的堆积物，影响钻孔的质量和功能[9]。提出了一种抗飞溅复合涂层，用于防止在航空航天材料激光钻削过程中飞溅物的沉积，该方法也可应用于其他孔加工过程[10]。其次，电加工使用具有特定形状的工具电极，在控制孔的几何形状方面具有天然优势[11]。激光束在加工过程中容易发散或被反射或散射，导致能量密度不均匀，使得难以精确控制孔的形状，例如孔的锥度[12]。锥度控制仍然是激光加工中的一个挑战，多目标工艺优化实验对于选择最合适的激光参数（如脉冲持续时间、焦点位置、扫描速度和螺旋轨道数量）至关重要[13]。为了更好地控制孔的锥度，越来越多地采用光束角度补偿方法作为有效策略[14]。这些方法通过实时调整激光入射角度或通过预编程路径来确保沿孔深度的均匀能量分布，从而最小化锥度的形成[15]。第三，薄膜冷却孔对于保持涡轮部件的寿命以及优化性能和效率至关重要。引入薄膜冷却孔可能会在一定程度上降低叶片的原始强度，激光加工过程中的热效应也会影响叶片基材的原始性能[16]。再铸层和热影响区是毫秒激光加工常见的热诱导缺陷[17]。以往的研究主要依赖金相蚀刻来获取加工区域的微观结构特征，从而识别和区分再铸层和热影响区[18]。然而，需要更深入的研究来了解激光热效应对加工孔壁附近晶粒结构的影响。这将有助于阐明微观结构变化的机制及其对材料性能的影响。

在本研究中，采用了准连续波（QCW）激光来钻削厚镍基合金。引入了一种结合圆形阵列点冲击钻削和同心圆旋转切割的混合方法，以增强激光加工过程中对孔形态的控制。该方法提高了孔壁的质量。除了优化加工策略外，还使用了抗飞溅涂层来有效抑制激光加工过程中孔入口处的飞溅沉积。此外，还对激光钻削产生的微观结构进行了深入分析，以评估热效应和加工区域内的材料变化。本研究为镍基合金中大深度和高长径比孔的QCW激光钻削的实际应用提供了基础指导，并全面了解了激光加工引起的热效应。

材料

测试样品由镍基超合金Mar-M247制成，尺寸为50×50×5毫米。Mar-M247是一种等轴晶粒镍基超合金，在高温下表现出优异的性能和坚固的机械性能。详细的元素组成见表1。

激光加工系统

实验装置如图1所示。准连续波（QCW）光纤激光加工系统由多模QCW组成

抗飞溅复合涂层的贡献

图4(a)和(c)显示了未涂层孔的入口和出口表面，而图4(b)和(d)显示了涂有涂层的孔的入口和出口表面。可以看出，未涂层样品的孔入口处有严重的飞溅现象，熔融材料在孔边缘堆积。相比之下，涂层样品的孔入口表面光滑且干净。在未涂层的出口表面上，孔周围观察到了大量的球形液滴。

结论

为应对加工厚度大且长径比高的微孔所面临的挑战，本研究提出了一种多边形冲击钻削方法。使用准连续波光纤激光对镍基超合金进行了四种钻削方法（PD、TD、NPD和NPDRC）的系统研究。主要结论如下：

• (1)
  由氧化铝和硅橡胶按2:3比例组成的抗飞溅涂层有效缓解了

CRediT作者贡献声明

陈珊珊：撰写——原始草案，项目管理，方法论，数据管理。王如佳：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取。毛凯良：数据管理，概念化。胡哲：软件，研究。王斌：撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取。吕静：可视化，资金获取，形式分析。张文武：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国科学院战略性重点研究计划（项目编号：XDC0160304）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-YBQN-0652）和中国国家自然科学基金（项目编号：52405520）的财政支持。