中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所浙江省航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端制造技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院的科研人員報(bào)道了水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金的表面質(zhì)量分析研究。東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司、蘇州中科激光智能制造創(chuàng)新研究院及沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的科研人員報(bào)道了水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金重熔層的分析研究。
一、水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金 的表面質(zhì)量分析
DD6高溫合金因其卓越的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的渦輪轉(zhuǎn)子葉片；然而，其可加工性方面存在挑戰(zhàn)。在對(duì)這些合金進(jìn)行加工時(shí)，表面質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。水導(dǎo)激光技術(shù)（WJGL）是一種復(fù)合激光加工技術(shù)，對(duì)于加工像高溫合金和復(fù)合材料這類難加工材料具有優(yōu)勢(shì)?；诓ㄩL(zhǎng)為532nm的激光，使用水導(dǎo)激光對(duì)1mm厚的DD6合金進(jìn)行開槽加工，并采用參數(shù)相同的傳統(tǒng)納秒激光加工作為對(duì)照組。與傳統(tǒng)納秒激光加工的結(jié)果相比，水導(dǎo)激光加工的表面熔渣飛濺和殘留物極少。
此外，電子背散射衍射（EBSD）分析表明，DD6合金在經(jīng)過水導(dǎo)激光加工后，其晶格結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。另一方面，在傳統(tǒng)納秒激光加工的DD6合金切縫中觀察到了44.3μm的熱影響區(qū)，且最大重鑄層厚度達(dá)到3μm。相反，在水導(dǎo)激光加工的DD6合金切縫中未檢測(cè)到熱影響區(qū)，其優(yōu)化后的最大重鑄層厚度為1.9μm，與傳統(tǒng)納秒激光加工相比改善了37%。這項(xiàng)研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)DD6合金的高質(zhì)量切割效果具有重要意義。
圖1.（a）水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)示意圖；（b）水導(dǎo)激光示意圖；（c）水導(dǎo)激光實(shí)物照片。
圖2.加工示意圖。
圖3.（a）切槽的微觀三維形貌；（b）切槽的橫截面視圖。
圖8.傳統(tǒng)納秒激光加工和水導(dǎo)激光加工DD6合金的對(duì)比。
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本文系統(tǒng)研究了水導(dǎo)激光與傳統(tǒng)納秒激光切割DD6高溫合金的差異。借助響應(yīng)面法（RSM）對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，使用水導(dǎo)激光和參數(shù)相同的傳統(tǒng)納秒激光對(duì)DD6合金板材進(jìn)行了開槽實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比分析得出以下結(jié)論：
(1)利用響應(yīng)面法得到了加工參數(shù)的最優(yōu)期望值：進(jìn)給速度為1mm/s，激光功率為14.45W，激光重復(fù)頻率為10kHz，水射流速度為180m/s。結(jié)果表明，平均錐度為3.65°，比預(yù)測(cè)的最小錐度低55.81%；平均槽深為247.42μm，比預(yù)測(cè)的最大槽深高5.02%；平均槽寬為90.38μm，比預(yù)測(cè)的最小槽寬低6.26%。
(2)對(duì)于DD6板材切割，水導(dǎo)激光加工產(chǎn)生的表面光潔度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)納秒激光加工，且產(chǎn)生的缺陷更少。傳統(tǒng)納秒激光加工的槽上表面熔渣堆積嚴(yán)重，在切縫附近180μm區(qū)域內(nèi)有激光燒蝕產(chǎn)物，180μm以外區(qū)域飛濺嚴(yán)重。下表面也存在嚴(yán)重的熔渣堆積和局部激光侵蝕現(xiàn)象。另一方面，水導(dǎo)激光加工的槽上表面切口平直、干凈，無熔渣堆積，僅有局部熔渣殘留。完全切穿后，槽縫出口干凈，但槽縫出口參差不齊，直線度較差。
(3)由于傳統(tǒng)納秒激光加工產(chǎn)生的熔合重鑄降低了表面粗糙度，因此水導(dǎo)激光加工的表面粗糙度高于傳統(tǒng)加工。水導(dǎo)激光加工過程中存在錐度效應(yīng)。當(dāng)槽底寬度小于水射流直徑時(shí)，水射流會(huì)被破壞，部分激光能量會(huì)從水射流中逸出并作用于槽的側(cè)壁，這一過程也會(huì)增加水導(dǎo)激光開槽的粗糙度。
(4)水導(dǎo)激光加工不會(huì)改變材料表面附近的晶格結(jié)構(gòu)，且該加工過程產(chǎn)生的重鑄層較小。傳統(tǒng)納秒激光加工存在熱積累效應(yīng)，導(dǎo)致合金近表面層發(fā)生從單晶到多晶的轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)小晶界，形成了厚度可達(dá)44.30μm的熱影響區(qū)。在脈沖間隔期間，熔融材料在表面重新凝固，最終形成了厚度可達(dá)3μm的重鑄層。
在水導(dǎo)激光加工過程中，水射流的冷卻作用可以消除熱積累效應(yīng)，熱影響區(qū)也隨之消除。由于水射流的沖刷作用，最終形成的重鑄層最大厚度為1.90μm。
二、水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金重熔層的分析
亮點(diǎn):
1.水導(dǎo)激光加工在重熔層中誘導(dǎo)出周期性的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。
2.水中的氧在重熔層中富集。
3.重熔層內(nèi)存在多晶晶粒，其晶體取向與基體不同。 4.重熔層內(nèi)形成非晶層，具有極化的鎳（Ni）和鈷（Co）析出物。 5.水射流導(dǎo)致重熔層中的晶體取向發(fā)生變化。 本研究探究了采用水導(dǎo)激光（WJGL）加工DD6鎳基單晶高溫合金時(shí)重熔層的特征。分析集中在表面形貌、元素分布和晶體結(jié)構(gòu)的變化上。
水導(dǎo)激光加工誘導(dǎo)出周期性的熱應(yīng)力，在重熔層內(nèi)形成了明顯的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，其形貌與未加工的基體不同。在界面處，氧與鋁、鎳和鉻等元素之間的相互作用導(dǎo)致了氧化物的形成，對(duì)這些氧化物在表面轉(zhuǎn)變中所起的作用進(jìn)行了重點(diǎn)評(píng)估。
利用菲克第二定律計(jì)算得出氧的擴(kuò)散系數(shù)為1.5×10?15m2/s，這說明了這些相互作用的程度。研究還揭示了存在與基體取向偏差極小的薄多晶層，保持了合金的整體結(jié)構(gòu)完整性。此外，發(fā)現(xiàn)加工方向會(huì)影響重熔層中的晶體取向，而水射流產(chǎn)生的湍流會(huì)對(duì)這種影響起到調(diào)節(jié)作用。這些研究結(jié)果有助于理解水導(dǎo)激光加工對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)優(yōu)化航空航天工程中高溫合金的應(yīng)用具有重要意義。
本研究探究了水導(dǎo)激光（WJGL）加工對(duì)DD6鎳基單晶高溫合金重熔層的影響。通過分析表面形貌、元素分布以及晶體結(jié)構(gòu)的演變，深入了解了加工機(jī)理及其對(duì)材料的影響。 水導(dǎo)激光加工展現(xiàn)出了能夠?qū)崿F(xiàn)精確加工的能力，由于水射流的冷卻作用，其熱損傷有所降低。
激光與水射流之間的相互作用引發(fā)了周期性的熱應(yīng)力，從而在重熔層表面形成了脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。水射流中的氧擴(kuò)散導(dǎo)致重熔層內(nèi)形成氣泡，且氣泡密度隨著與界面距離的增加而減小。
微觀結(jié)構(gòu)檢查揭示了不同程度的氧化現(xiàn)象以及析出相的存在，確定了多晶區(qū)域和非晶區(qū)域。晶體結(jié)構(gòu)的變化包括形成了β-NiAl多晶晶粒，其取向與基體略有不同。水射流施加的機(jī)械應(yīng)力影響了重熔層的表面取向，使其與水射流的運(yùn)動(dòng)方向一致。
這些研究結(jié)果表明，雖然水導(dǎo)激光加工會(huì)在重熔層中引入微觀結(jié)構(gòu)的改變，但與傳統(tǒng)激光加工方法相比，它在加工精度和減少熱影響方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化加工參數(shù)可以減輕這些微觀結(jié)構(gòu)的變化，并提高部件的性能。
本研究強(qiáng)調(diào)了水導(dǎo)激光技術(shù)在高溫合金應(yīng)用中的潛力，突出了了解微觀結(jié)構(gòu)影響對(duì)于確保加工部件穩(wěn)定性的重要性。
