肖强，马国庆，靳龙平
1西安工业大学机电工程学院；
2西北工业集团有限公司
随着航空技术的发展，对镍基高温合金气膜孔的质量要求越来越高，这对飞秒激光加工气膜孔的加工工艺提出了新挑战。气膜孔制备技术是保证航空发动机在极端高温环境下稳定高效运行的重要技术之一[1]，通过在发动机镍基高温合金叶片上加工出特定位置排布且孔径为0.2～0.8mm的气膜孔，使发动机在运行过程中，空气通过气膜孔在叶片表面形成一层气膜，从而达到隔绝高温燃气降低温度的目的[2，3]。目前，加工气膜孔的主要方法有电化学加工[4]、电火花加工[5]、电子束加工[6，7]和激光加工[8-10]，电化学加工精度和稳定性较低且污染严重；
电火花加工效率低，电极损耗较大；
电子束加工要求加工环境为真空，难以大规模应用；
普通的长脉冲激光加工产生的热影响区较大，对材料烧蚀严重，限制了激光加工高质量气膜孔的发展。
飞秒激光是一种脉宽极窄、峰值能量极高的超快激光[11，12]。飞秒激光与材料作用时可以在极短时间内将激光能量注入加工区，材料温度瞬时升高，直接转化为等离子态喷发出去，从而实现材料去除。相比于传统长脉冲激光加工，飞秒激光加工过程的热影响区大大减小，在理论上可以达到冷加工效果，有效弥补了长脉冲激光加工的不足[13，14]。
飞秒激光的加工重点之一是改善气膜孔内壁质量，在目前的加工工艺下，加工孔壁的质量参差不齐，达不到要求。随着对发动机性能要求越来越高，在进行疲劳强度测试时，叶片常发生断裂，而磨开断裂叶片后会发现，同一激光工艺参数加工出的气膜孔孔壁质量不同。根据经验分析猜想，由于叶片上的气膜孔角度各异，气膜孔的倾斜角度可能会对孔壁质量造成影响。本文通过理论分析和实验的方法对此问题进行研究，并针对此问题提出了改进方法。
飞秒激光去除材料的过程复杂，涉及到物理学、光学及材料学等多种学科。加工材料时，激光在飞秒量级时间内通过极高的激光功率作用于工件，使材料从固态瞬间变为高温、高压的等离子体状态，以喷射的形式脱离被加工材料，从而实现材料的非热熔加工。由于脉冲的持续时间极短，温度来不及向周围扩散就发生了烧蚀，因此热影响区和热扩散的作用也很小，利用飞秒激光可以实现镍基高温合金的精细加工。飞秒激光加工的显著优势是加工精度高和热影响区小，使用MATLAB软件对飞秒激光的空间能量分布进行仿真，结果如图1所示。
图1 高斯光束空间能量分布
飞秒激光空间功率密度的表达式为
(1)
式中，w0为束腰半径；
Z0为瑞利长度；
P0为空间功率密度。
由式(1)和MATLAB仿真结果可以发现，在传播过程中，光束横截面上的振幅分布服从高斯函数，且焦点处振幅最大，随着径向尺寸增加，振幅减弱，当发散到一定程度时振幅趋于平缓。光束在同一横截面上光强的空间分布关于x，y轴对称。理论分析可得，光斑应为规则圆形，光斑的中心为圆心，高斯光束在焦点中心处的能量密度最大，越远离焦点能量密度越小。
理想状态下高斯光束同一横截面上的能量分布表达式为
(2)
式中，F0为光束中心能量密度。
烧蚀阈值Fth是指去除材料所需的最小激光能量，材料被去除条件为光束能量密度大于Fth，由式(2)可以得出光束能量密度分布与材料烧蚀阈值的关系(见图2)。飞秒激光加工材料时，每种材料都有一个稳定性较高的烧蚀阈值，这是因为在烧蚀过程中，非线性吸收和多光子电离处于主导地位，避免了材料掺杂特性和缺陷对阈值的影响。
图2 光束能量密度与材料烧蚀阈值的关系
在实际飞秒激光加工过程中，激光器发出的激光束能量密度较小，不能满足加工要求，需在加工系统中设计聚焦系统，将光束进行聚焦以增强激光能量密度。光束通过聚焦镜后能量密度增强，光斑尺寸极大减小，意味着飞秒激光的加工区域也同时减小，更有利于精密加工。由于飞秒激光光束经过聚焦后仍为高斯光束，光斑中心处的能量密度最大，因此在加工过程中可合理调节激光能量大小，仅使光斑中心一定范围内的能量密度大于材料的烧蚀阈值，进一步缩小飞秒激光的加工区域，最后整个加工区域被限制在能量密度高于烧蚀阈值的区域(而非整个激光照射区域)，实现极小范围内的精密加工，其去除材料区域如图3所示。
图3 飞秒激光聚焦后去除材料区域
飞秒激光的光斑直径经过聚焦后可以达到数微米以内，通过控制激光能量完全可以达到微米级甚至纳米级的加工精度。由于受激光脉冲形状限制，一般激光钻孔加工的孔呈正锥形，要想实现圆柱孔或倒锥孔须改变光束的入射姿态，使进入聚焦镜的入射光束平移。孔加工的光学原理如图4所示。
为实现航空发动机叶片上较大深度微小圆柱气膜孔的高精度加工，须采用具有光束平移功能的旋切扫描装置。光束扫描装置原理为基于光线折射实现光束的偏转和平移，再通过系统的旋转实现圆孔扫描加工。实现圆柱孔的常见光束扫描装置有三种：四光楔光束扫描模块、道威棱镜光束扫描模块和平行平板光束扫描模块。本次实验设备使用平行平板光束扫描模块，其原理如图5所示。
图5 平行平板光束扫描模块原理
航空发动机叶片上气膜孔位置具有特定排布的特点，叶片表面多为曲面结构，不同位置气膜孔的倾角角度有很大差异。在加工过程中，大多数气膜孔采用相同加工参数和加工环境，但加工出的气膜孔内壁质量却不一致，初步分析是由不同气膜孔的不同倾角角度导致(见图6)。
对于大倾角气膜孔入口处下方向孔壁产生的沟槽，主要认为是由飞秒激光的离焦加工和斜孔入口材料分布不均导致。
(a)直孔孔壁
3.1 飞秒激光离焦
飞秒激光加工通过聚焦镜将激光光束聚焦，利用聚焦后的激光能量对材料进行加工。在光束加工平面，飞秒激光的聚焦能量最大，加工能力最强。而飞秒激光属于高斯光束，其能量密度也呈高斯分布，因此在光束加工平面的空间附近，飞秒激光能量为高斯分布，所以光束加工平面的空间附近仍具有一定的加工能力。
高斯光束横向能量分布可表示为
(3)
式中，F0为光束中心能量密度；
r为到光束中心的距离；
w为高斯光束光斑尺寸，可表示为
(4)
式中，z为光束的传播距离；
zR为瑞利长度。
在垂直于光轴方向任意截面的光强分布表达式为
(5)
式中，I0为峰值光强。
激光能量密度和激光强度关系为
F=Iτ
(6)
根据以上数学表达式，将相关数据导入MATLAB软件中，模拟功率10W时激光能量密度的变化和分布，可得激光能量沿z轴传播方向光束能量密度变化以及分别在离焦1mm，2mm和3mm处的横向能量密度分布(见图7)。
根据模拟结果可以得出，光轴中心处能量密度沿着光束传播方向不断衰减，距离焦点1mm，2mm，3mm的位置，能量密度约为4.2J/cm2，2.6J/cm2，1.58J/cm2。
叶片材料为镍基高温合金，飞秒激光去除镍基高温合金的损伤阈值分为两种：热熔性损伤阈值与非热熔性损伤阈值。当激光能量密度达到一定值时，激光加工区域无重铸融化现象，表现为非热熔损伤形貌，属于冷加工，此时能量密度临界值为非热熔性损伤阈值[15]。激光能量密度继续增大，当达到另一临界值时，加工区域开始出现融化烧蚀现象，此时临界值称为热熔性损伤阈值。镍基高温合金的两种单脉冲损伤阈值分别为0.23J/cm2，1.21J/cm2；
多脉冲累积系数为0.9，0.92。
(a)激光能量沿z轴的变化趋势
多脉冲损伤阈值可以表示为[16]
Fth(N)=Fth(1)NS-1
(7)
式中，Fth(1)为单脉冲损伤阈值；
N为脉冲个数；
S为多脉冲累积系数。
将上述数据代入式(5)，可以得到多脉冲损伤阈值和脉冲个数的关系(见图8)。
图8 脉冲个数和损伤阈值关系
由图可得，随着脉冲个数的增加，损伤阈值趋于稳定，最终稳定在0.58J/cm2。根据对激光光束能量的仿真计算，并结合镍基高温合金的损伤阈值可以发现，在距离焦点平面1mm，2mm，3mm处，激光光斑能量密度的面积超过损伤阈值的面积比例为100%，76.1%，49.6%。由此可以发现，即使在距离焦平面3mm处的激光能量依然可以对镍基高温合金进行离焦加工；
在距离焦点1mm内，激光能量密度远大于损伤阈值，其离焦加工的效果更加明显。
3.2 材料分布不均
在大倾角情况下，气膜孔入口处的材料分布不均，入口处上方向(即位于光束加工平面上方)的材料可以依靠飞秒激光的离焦加工被去除，而入口处下方需要加工的材料少，仍具有加工能力的激光光束能量被消耗，直接射在入口处下方的孔壁上。随着加工持续进行，光束加工平面下移，当移至入口处下方向时，孔壁仍被继续加工，导致加工过量，孔壁被击伤而产生沟槽。加工平面继续下移经过入口处一段距离后，加工状态与加工正常平孔一致。产生沟槽缺陷的整个过程可以理解为在加工开始的一段时间内，由于倾角角度大，入口处上方多余的材料充当了防护材料，防止孔壁被激光离焦加工，下方没有材料充当防护，孔壁被激光离焦加工，导致加工过量。在加工平孔的过程中，由于孔的入口处始终保持水平，孔壁各个方向被加工的程度始终保持一致，没有产生过量加工。
图9a为加工平孔的示意图，孔口材料分布均匀；
图9b为有一定倾角的孔加工，入口上方的材料多于下方，因此对下方的孔壁加工过量，导致产生沟槽；
图9c的倾角增大，其材料分布不均程度进一步增加，导致加工过量的情况更加严重，产生的沟槽更多。
(a)平孔加工 (b)有一定倾角的孔加工 (c)更大倾角的孔加工图9 大倾角气膜孔加工
4.1 实验设计
使用飞秒激光加工设备分别加工30°，45°，60°三种不同倾角的气膜孔，将样品磨开后用金相显微镜观察内壁形貌(见图10)，加工过程中采用同轴吹气及时排出残渣。为了保证实验效果与实际加工叶片尽可能一致，使用正式叶片切割后剩余的残片进行打孔实验。光学加工头的结构如图11所示，激光器具体参数如表1所示，具体加工参数如表2所示。
图10 螺旋加工
图11 光学加工头结构
表1 激光器参数表
表2 加工参数表
4.2 实验设备
使用西安中科微精光子制造科技有限公司提供的五轴超快激光微加工设备，依靠加工设备中的光学加工头实现对激光扫描轨迹的控制，达到螺旋加工目的。光学加工头由三部分构成：光楔组、光学平板和聚焦系统。激光光束通过光楔组后和中心轴产生一个偏角，偏角角度为光楔组的合成角度，光束经过光学平板后会水平偏离中心轴一段距离(光束始终在一个平面内传输)。该模块配合聚焦系统使用时会使光束聚到偏离光轴一微小距离的焦面上，光楔组和光学平板同时进行高速转动，激光光束在焦面上形成螺旋轨迹。
4.3 实验结果与分析
实验研究了三种气膜孔倾角角度对飞秒激光加工质量的影响。打孔完成后将材料纵向磨开，使用金相显微镜对内壁进行观察发现，孔壁出口和中部的质量无明显缺陷，主要缺陷是入口处下方存在沟槽，不加倾角打孔的孔壁光滑，几乎没有沟槽产生。随着气膜孔倾角的增加，入口处下方的沟槽明显增加，角度增加至60°时，产生了大量的沟槽，入口处的孔壁质量明显下降。将气膜孔入口处沿水平方向镶样后打磨，检测其沟槽深度(见图12)，在倾角分别为60°，45°，30°时，孔壁沟槽的最大深度约为11.05μm，7.71μm，7.41μm。
(a)60°孔壁截面
根据以上实验结果可以总结得出，随着气膜孔倾角角度的增大，其入口处的沟槽明显增多，且沟槽主要集中在入口处的下方向，入口处下方孔壁横截面的粗糙程度随着倾角的增加而增加，孔壁其他位置质量良好，无沟槽产生，而加工平孔时则不会出现沟槽情况。
4.4 实验工艺优化
针对产生沟槽的原因，提出相应的改善方法。入口处下方产生问题主要是因材料分布不均所导致的上下方被加工程度不一致，并且产生的沟槽也主要集中在入口处，未延伸到孔壁中部。对此提出一种表面涂层防护的加工方法，在材料表面上涂抹一定厚度的防护材料，待涂层凝固后进行加工，加工完成后再清理涂层，从而达到减少孔壁沟槽目的。飞秒激光与金属作用时，金属内部大部分自由电子的自由能低，电子吸收能量后电离程度低，以离子爆炸与液相爆炸混合去除方式导致孔口容易形成液相爆炸缺陷。当表面涂敷后，飞秒激光首先与涂敷材料作用，金属受热后自由电子活跃程度高，离子爆炸占据优势，避免了上述缺陷，也可改善孔口质量。
涂层防护及孔壁形貌见图13，使用相同工艺参数进行加工，加工完成后检测孔壁质量，其下方向入口处的放大形貌见图13b所示，孔壁横截面如图13c。经检测发现，入口处下方向的沟槽明显减少，气膜孔孔壁横截面的缺口最大不超过2.54μm，相对于未使用涂层防护的孔壁缺口可达10μm以上，有明显改善。并且其余方向的孔壁经过检测也未发现缺陷，证明了在材料表面涂抹一定厚度的涂层可以有效减少孔壁沟槽，提升孔壁质量。
(a)涂层防护
(1)在使用飞秒激光加工不同倾角的气膜孔时，孔壁入口下方会出现沟槽，降低孔壁质量。随着倾角角度的增加，沟槽现象越严重，当倾角为30°时，最大沟槽深度约为7.41μm；
倾角增加至60°时，深度增加到11.05μm。且沟槽只存在于入口下方向处，孔壁其余位置形貌完好，不受倾角角度的影响。
(2)沟槽产生主要原因是飞秒激光超强的离焦加工能力和孔口材料分布不均。飞秒激光沿传播方向一定距离内，仍然可以保持较高的能量密度，激光功率10W，距离焦点1mm，2mm，3mm处的光斑能量密度的面积超过镍基高温合金烧蚀阈值的面积，分别达到100%，76.1%，49.6%，离焦加工效应明显。由于倾角角度增大，材料在入口处分布不均，上方向材料多，下方向材料少，飞秒激光离焦加工导致下方向加工过量。
(3)通过实验证明了在材料表面涂抹一定厚度的防护材料可以明显减少孔壁沟槽，且沟槽深度可以减小至2.54μm，提高了孔壁质量。
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