水导激光加工K424高温合金热损伤机制研究

2022-03-18滕啸天乔红超曹治赫赵吉宾张旖诺梁金盛于永飞

激光与红外 2022年2期

滕啸天,乔红超 ,曹治赫 ,赵吉宾,张旖诺 ,4,梁金盛 ,4,于永飞

(1.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳 110016；2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁沈阳 110016；4.中国科学院大学,北京 100049)

1 引言

K424是镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金,其特点是铝和钛元素含量高、密度低,具有较高的高温强度和塑性、良好的铸造性能。因此K424合金可用于航空、航天发动机涡轮叶片、尾喷口调节片、整铸涡轮转子及导向器等精密铸造结构件[1]。然而,虽然K424高温合金具有以上优异的性能,但是其导热能力差,在加工过程中产生的热量不容易扩散,可能会在加工区域出现烧伤或裂纹。同时它的金相组织中晶粒较为粗大[2],在加工过程中,受单向拉伸应力作用时会增加晶粒间拉伸应力的作用,容易造成脆性的沿晶断裂[3]。所以传统的机械加工技术很难达到良好的加工质量。为了提升加工质量,提出了电液束打孔、电火花打孔和激光打孔等新颖加工技术。但是电液束打孔通常会出现点蚀、孔口偏大、双眼皮孔、台阶状、孔壁不完整等缺陷[4],电火花打孔加工过程需要不断调整电极与工件之间的放电间隙,易造成短路、烧伤等缺陷,传统激光加工会产生热影响区、重铸层和微裂纹等缺陷[5]。新近提出的水导激光加工是将水射流与激光耦合对材料表面进行去除处理的加工技术,相比于其他加工技术,水导激光具有热影响区与重铸层少、几乎不会产生微裂纹、加工距离长且精度高等优点[6]。因此,使用水导激光技术来加工高强度低热导率的K424合金较是为理想的选择。

因水导激光具有其他加工技术无法比拟的优势,国内外学者对其开展了多项研究。李萌等[7]提出了一种水导激光加工系统的光耦合方法,可以不需要CCD放大系统就能观察到水与激光的耦合情况。程柏等[8]研究了同轴气流辅助水导激光加工SiC/SiC陶瓷基复合材料,提出同轴螺旋气流可以防止环境中的空气影响喷射阶段的水射流和排出冲击阶段的积水层,提高了水射流的稳定性,改善了水层的状态。孙冬等[9]对水导激光加工碳纤维复合材料进行了研究,发现水射流对减小激光的热损伤有显著作用,另外水导激光加工表面不会产生恶化,有助于提高材料的强度。Marimuthu[10]研究了水导激光在SiC强化铝基复合材料的打孔实验,并与传统的毫秒脉冲激光加工进行对比,发现水导激光加工的孔质量更好,孔的圆度高,没有热影响区和重铸层,并且孔径受激光功率与速度的变化影响较小,说明孔的重复性好,适合工业加工。缺点是加工效率较低。以上研究表明虽然水导激光加工与传统的打孔加工相比有较多优势,但是目前对水导激光产生热损伤区的机理与规律总结缺少研究。

本文使用自主搭建的水导激光加工设备对K424高温合金进行打孔实验,加工后的工件使用Zeiss EVO 10扫描电镜来观测加工产生的热损伤区并总结其出现的规律,实验结果对水导激光技术减少热损伤区的产生,提高加工质量有重要意义。

2 实验

2.1 实验材料

实验采用厚度为1.3 mm,通过线切割加工成20 mm×10 mm×3 mm规格的K424高温合金作为实验试件。该材料的化学成分与物理性能由表1和表2所示。材料的金相组织如图1所示。

图1 材料的金相组织

表1 K424高温合金化学成分

表2 K424高温合金物理性能

实验前需将试件用无水乙醇清洗干净,表面无污渍后放入超声清洗仪中,温度设置为50 ℃,频率为40 kHz,超声清洗15 min后吹干。

2.2 实验方法

实验采用自主研发的水导激光加工装置,激光在水射流引导下加工材料表面。为使水射流能够充分冷却并及时冲走熔渣,采用旋切式打孔[11]。同时为防止加工位置局部温度过高而产生重铸层,加工过程中激光与水射流轨迹为直径不断缩放的螺旋形,螺旋轨迹如图2所示。最外圈的加工直径为80 mm,激光与水射流加工一圈后直径逐步缩减0.1 mm,等到直径缩减到79.8 mm后下一圈再增加至80 mm。当激光穿透材料后,继续加工几圈保证孔的边缘光滑无毛刺。

图2 激光与水射流螺旋轨迹

打孔加工后对切下的圆形工件放入镶样机进行镶嵌,检测表面为激光加工的表面。然后使用400、800、1000、1200、1500、2000目的砂纸依次打磨。在每次打磨过程中需要加水,且使得划痕朝着一个方向,直到打磨表面的划痕都是一个方向后更换砂纸并使下次划痕方向转90°。打磨结束后,使用抛光机进行抛光。在抛光布上喷洒2.5～3.5 μm的抛光剂后开始启动,把工件放上面抛光的同时加入适量的水防止过热,直到表面无划痕后用水将工件冲洗干净。使用镊子夹住沾有腐蚀剂的棉花球对工件表面擦拭15 s左右,待工件表面失去金属光泽后迅速用清水冲洗并使用吹风机吹干。腐蚀剂配比为1.5 g CuSO4+40 mL HCl+20 mL C2H5OH[1]。

使用Zeiss EVO 10扫描电镜观测工件边缘切口处热损伤区大小。把工件放入样品室后抽气至室内真空度低于5×10-5mBar,移动样品台使工件位于物镜的正下方,升起样品台同时避免工件触碰到探头,使用SE1探测器,调整至20 kV的加速电压,7.4 mm的工作距离,将放大倍数逐步调整为50、200、2000、3000、5000、7500、10000倍后聚焦观察并拍摄照片,对工件边缘的重铸层厚度进行测量与标注。

3 实验结果与分析

3.1 孔壁微观组织特征

将扫描电镜放大到2000倍后,可观察到K424高温合金加工位置附近的金相组织,如图3所示。可以看出边缘位置晶粒变化不大,热影响区并不明显,但是重铸层厚度不均匀。

图3 K424高温合金边缘位置的金相组织

通过扫描电镜放大10000倍后,可以准确测量出工件边缘处重铸层的厚度。选取工件圆周不同的位置进行观测,发现重铸层的厚度并不均匀,有的位置不存在重铸层,有的位置厚度能达到2 μm以上。工件的重铸层厚度变化如图4所示,其大小从不存在增加至2.791 μm。

图4 工件切口处热损伤区大小

3.2 孔壁热损伤机制分析

激光加工过程中能量的转移一定遵循能量守恒定律,激光的输入能等于激光的输出能与材料的吸收能的总和,即:

Einput=Eoutput+Eabsorbed

(1)

其中,输入能为激光器发射的激光总能量除去材料表面的反射和水射流内的全反射等损失后最终入射到材料的能量,输出能为激光蚀除材料所需的热能,吸收能为传递到材料内部的热能,如图5所示。

图5 水导加工过程中热能转化的过程与现象

若不考虑激光在水射流内的能量损失,输出能为:

Einput=αPt

(2)

式中,α为吸收系数；P为激光峰值功率；t为激光脉宽。

激光的能量密度为:

I=P/(πd2/4)

(3)

式中,P为激光峰值功率；d为水射流直径,也是激光束的直径。I可近似为输入能的能量密度。因水射流的引导与全反射,可以将激光看成作用在材料表面热量均匀分布的热源,则I也可作为该热源的热流密度。在加工过程中K424高温合金吸热使激光轨迹位置的局部温度升高到到熔点,熔化后产生熔池。其中,材料由固态变为液态需要的热量,也就是输出能为:

Eoutput=cpmΔT+mΔHf

(4)

式中,cp为材料的比热容；m为蚀除材料的质量；ΔT为材料要达到熔点的温度差；ΔHf为材料发生相变的熔化潜热。吸收能为输入能与输出能的差,即:

Eabsorbed=αPt-(cpmΔT+mΔHf)

(5)

在加工的一个脉冲周期内,蚀除的材料的质量不变,则输出能Eoutput是恒定不变的,如果激光的峰值功率过高或脉宽时间过长,输入能就会过高,则会产生更多的吸热能使更多的热量传递到材料内部,造成材料加工的热损伤。

材料在发生相变后熔池不断产生和被冲走,形成的固液表面随着加工方向移动,同时剩余热量作为吸收能沿着孔的形状变化流向材料内部低温处。由于热辐射影响较小,热量的传递只考虑热传导与热对流的过程。材料内部的热量主要通过热传导的方式传递,热传导遵循Fourier定律:

(6)

式中,q为热流密度;k为工件材料的导热系数;T为温度;n为边界的外法线方向。

在加工过程中材料内部是不存在内热源的,三维热传导的微分方程为:

(7)

式中,k为材料的导热系数；ρ为材料的密度；cp为材料的比热容。

加工过程中水射流对工件持续冲刷冷却,产生剧烈的对流换热,对流热损失的热流密度qout可根据牛顿冷却公式计算:

qout=hcΔT

(8)

式中,hc为对流换热系数；ΔT为流体与固体的温度差;hc的计算公式为:

(9)

式中,Nu为努赛尔数；λ为流体的导热系数；l为特征长度。Nu的经验公式如下[12]:

Nu=0.715Re1/2Pr0.4,0.15

(10)

Nu=0.797Re1/2Pr0.4,Pr>3

(11)

在上一个脉冲结束后与下一个脉冲开始前的间隙,水射流对工件冷却并清理熔融物,每个脉冲间隙带走上一次烧蚀材料的热量。同时还会在工件加工表面形成一个水膜,避免熔融颗粒粘附在工件上。因此,水射流不仅可以引导激光,还能够大大减少工件的热损伤。

当激光作用在材料的加工区域时会发生光热作用,光能转化为热能并传递扩散。当材料吸收了一定的激光能量后,激光内的脉冲能量先会对材料表面形成冲击强化并产生热能,待温度升高达到材料熔点后,材料表面会发生熔化、蒸发并产生等离子体,实现材料的去除。其中,脉冲发射阶段通过激光的热效应烧蚀材料,脉冲间隙阶段通过水射流的对流换热冷却工件并冲走熔渣和残留物。若吸收能较高,则在一个脉冲周期结束后,水射流未能带走的热量会向材料内部传递,使加工区域附近的温度升高,在孔壁形成热影响区。同时会有来不及排出的熔融物重新凝固在切口处形成重铸层[13]。单位脉冲时间内,若qt1>qoutt2,则说明吸收能向材料内传递的热量大于水射流冷却的热量,其中t1为脉冲作用时间,t2为脉冲间隙时间,这种情况材料会出现热损伤区；若qt1

在水导激光打孔过程中,工件上加工轨迹的表面位置会逐渐被烧蚀而内陷,当水射流冲刷工件表面时,会在加工内陷处形成滞止区,使水柱产生回流,减弱冲刷效果。而随着内陷深度的变化,水柱的回流情况也一直变化,造成了水射流的不稳定。同时,熔渣和熔融物在排出时可能造成切口处热量分布不均,若是熔渣体积较大还可能造成排水不畅,也会影响水射流的稳定。水射流的滞止回流与排水不畅如图6所示,这些都会导致重铸层的厚度变得不均匀。