來自上海大學(xué)、北京科技大學(xué)、寧波大學(xué)、浙江大學(xué)和寧波飛納激光科技有限公司的研究人員在Optics and Laser Technology國(guó)際期刊上發(fā)表論文Precision Processing of Nb-Si Alloy via Water-Jet Guided Laser: Realization of Inhibited-Oxidation and Small-Taper。
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論文導(dǎo)讀
隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和推力重量比不斷提高，對(duì)渦輪葉片材料的溫度承載力要求更高，例如新一代渦輪葉片材料的溫度將達(dá)到1850~1950 C°。目前鎳基超合金的工作溫度已接近1150℃的極限，因此，開發(fā)可在較高溫度下使用的新材料引起越來越多的關(guān)注。其中，Nb-Si合金在其低密度（6.6~7.2 g/cm3）和高溫強(qiáng)度方面被認(rèn)為是高溫下取代鎳基單晶合金的潛在材料。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件的使用壽命，需要在結(jié)構(gòu)材料上加工氣膜孔。但Nb-Si合金在高溫下極容易氧化，傳統(tǒng)的加工方法難以保證合金上氣膜孔的有效加工。水射流引導(dǎo)激光技術(shù)（WJGL）作為一種混合激光處理方法，其中高壓水射流不僅對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻抑制氧化發(fā)生，而且可以通過水射流排出加工過程中產(chǎn)生的熔融物，防止了由于納秒激光熱效應(yīng)而產(chǎn)生的加工缺陷。
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全文概述
為了實(shí)現(xiàn)Nb-Si合金的高精度、極小化熱影響區(qū)加工，本文系統(tǒng)研究了WJGL加工參數(shù)對(duì)其加工質(zhì)量的影響。值得注意的是，與納秒常規(guī)激光加工相比，在WJGL功率為20 W、切割速度為5 mm/s的條件下，WJGL可以在20 s內(nèi)切割寬度為10 mm、厚度為3 mm的合金試樣，且水射流的持續(xù)流動(dòng)抑制了激光誘導(dǎo)的熔融殘留物，這有助于最大限度地減少熱沖擊，并減少切面嚴(yán)重的氧化，從而在加工表面只形成了厚度為數(shù)百納米的薄重熔層，獲得了表面粗糙度僅為0.8 μm的Nb-Si合金切面。更令人印象深刻的是，對(duì)于直徑為1 mm、深度為3 mm的通孔，其錐度僅為0.0016 °，這是傳統(tǒng)加工難以獲得的。這些研究結(jié)果表明，WJGL是一種可行且有效的Nb-Si合金加工方法。
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圖文解析
圖1是WJGL與傳統(tǒng)干法激光切割Nb-Si合金的對(duì)比圖。其中圖1(b)分別顯示了WJGL和傳統(tǒng)干法激光加工的兩種典型切縫。左邊的對(duì)應(yīng)于WJGL切割，而右邊的對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)干法激光切割。很明顯，WJGL產(chǎn)生的切縫沒有明顯的錐度，而傳統(tǒng)干法激光切割的切縫有明顯的錐度和熔融物阻塞。圖1(c)的SEM圖像展示了WJGL切縫寬度為83 μm，兩側(cè)保持平行，沒有明顯的重熔層。然而，在圖3(d)中顯示大量的熔渣堵塞了傳統(tǒng)干法激光切割的切縫，并且有明顯的錐度，從93 μm縮小到65 μm。圖3(e)顯示，當(dāng)WJGL的切割循環(huán)次數(shù)增加到8次時(shí)，切割深度達(dá)到了試樣厚度，即3 mm。
圖1 (a) WJGL和傳統(tǒng)干法激光加工的示意圖。(b)分別由WJGL和傳統(tǒng)干法激光切割的切縫的光學(xué)顯微照片。(c)和(d)分布為WJGL和傳統(tǒng)干法激光切割的切縫的SEM圖像。(e) WJGL切割切縫深度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，k表示激光入射方向。
圖2是比較了不同加工方法，即電火花線切割、傳統(tǒng)干法激光切割和WJGL切割的切面質(zhì)量。圖2(a)和(b)分別為電火花線切割和傳統(tǒng)干法激光切割加工的切面表面形貌，由于這兩種加工方法的切割過程不能有效地抑制熱效應(yīng)，Nb-Si合金很容易被氧化，從而導(dǎo)致切割表面非常粗糙。圖2(c)-(f)顯示了WJGL在不同水壓下產(chǎn)生的切面?？梢园l(fā)現(xiàn)，與前兩種切割方法相比，切面質(zhì)量有了極大的提高。圖片中看不到非常明顯的重熔層和殘?jiān)欢砻嫒杂休p微的裂紋和孔洞，這可能是由于切割過程中的流體不穩(wěn)定機(jī)制導(dǎo)致的。在水導(dǎo)激光水射流水壓較低時(shí)，由于水射流的沖刷和冷卻作用較弱，表面的起伏區(qū)域和孔洞結(jié)構(gòu)較為明顯。而在水射流為高水壓下進(jìn)行加工，其切面形成了一個(gè)相對(duì)光滑的表面。
圖2 (a)電火花線切割加工Nb-Si合金切面的SEM圖像。(b) 傳統(tǒng)干法激光加工Nb-Si合金切面的SEM圖像。(c-f)不同水壓下WJGL加工Nb-Si合金切面的SEM圖像。插圖為紅線框內(nèi)的放大圖像。
圖3展示了，使用三維光學(xué)輪廓儀測(cè)量不同方法切割Nb-Si合金后，切面粗糙度的對(duì)比。如(a)和(b)所示，當(dāng)切割速度設(shè)定為5 mm/s時(shí)，切面更平滑，粗糙度僅為0.8 μm。而當(dāng)切削速度為1 mm/s時(shí)，表面出現(xiàn)明顯的周期性條紋。另外相比于水射流水壓較低時(shí)，在較高的水壓下，WJGL可以加工出粗糙度更小的切面。在圖3(c)中，電火花加工切割的切面表面粗糙度為12.67 μm，這是由于在切割過程中電火花爆炸坑和重熔層，降低了切面的質(zhì)量。而傳統(tǒng)干法激光切割的切面表面粗糙度為6.35 μm，主要是由于表面氧化嚴(yán)重所致。
圖3 (a) WJGL在30 MPa水壓下切面的3D形貌。(b) WJGL在10 MPa水壓下切面的3D形貌。(c)兩種常規(guī)方法切面的3D形貌。
圖4是采用XRD檢測(cè)不同切割方法切面的圖譜對(duì)比?；€（黑線）是經(jīng)過機(jī)械拋光處理的合金衍射峰。WJGL加工試樣(紅線)的物相組成與機(jī)械拋光處理后試樣幾乎相同，主要含有Nbss、Nb5Si3和亞穩(wěn)態(tài)Nb3Si相，無明顯氧化物。然而，無論是電火花加工還是傳統(tǒng)干法激光加工，樣品中都檢測(cè)到了TiO2和HfO2等多種氧化物。尤其是傳統(tǒng)干法激光切割的樣品，進(jìn)一步觀察到與Nb2O5、SiO2相對(duì)應(yīng)的衍射峰，這可歸因于傳統(tǒng)干法激光引起的高溫氧化。這一對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步證明了WJGL加工可以有效地抑制切面的氧化。
圖4 不同切割方法的XRD圖譜。
圖5展示了一個(gè)具體的WJGL加工實(shí)例。其中(a)和(b)是掃描電鏡照片，分別展示了加工出的直徑為1 mm、深度為3 mm的通孔入口與出口，展示了非常好的圓度。在入口的邊緣沒有明顯的毛刺和熱影響區(qū)，只有少許未被高壓水清除的熔融殘留物。出口與入口的大小幾乎相同，沒有明顯的加工缺陷。圖5(c)顯示了通孔側(cè)壁的光學(xué)顯微鏡圖像。很明顯，通孔的錐度幾乎可以忽略不計(jì)；入口和出口開口之間的直徑差僅為10 μm，其錐度僅為0.0016°。圖5(d)為WJGL加工的寬度為0.33 mm的鏤空“SHU”字母，圖5(e)為WJGL加工得到的“SHU”字母，字母的線寬僅僅為0.17毫米，但厚度是3毫米，深徑比高達(dá)18。
圖5 WJGL加工Nb-Si合金實(shí)例展示。
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總結(jié)
本文對(duì)比了電火花線切割、傳統(tǒng)干法激光切割方法和新型WJGL切割三種切割方法加工Nb-Si合金得切割質(zhì)量，得出以下結(jié)論：
1、首次報(bào)道了WJGL 加工Nb-Si合金的加工方法。通過這種加工方法，在無需移動(dòng)激光焦點(diǎn)的情況下，可以在20 s內(nèi)切割厚度為3 mm、長(zhǎng)度為10 mm的Nb-Si合金。
2、通過對(duì)電火花線切割、傳統(tǒng)干法激光切割和WJGL切割的Nb-Si合金切面質(zhì)量進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)WJGL切面具有抑制氧化和加工損傷的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在30 MPa的水射流壓力下，WJGL切割獲得了粗糙度僅為0.81 μm的優(yōu)異切面。通過對(duì)比不同方法得到的加工切面XRD圖譜，從WJGL加工的切面沒有檢測(cè)到明顯的氧化物。
3、利用WJGL加工了3 mm厚的Nb-Si合金，得到了直徑為1 mm的通孔，錐度僅為0.0016 °，與線寬為0.17 mm深徑比為18的“SHU”字母。
