赵 闯 赵玉刚 赵丹丹 孟 硕 于翰林 李智豪 曹 辰 张海云 孟建兵

山东理工大学机械工程学院,淄博,255000

0 引言

镍基系列高温合金具有较高的强度和耐腐蚀性,这些特性可以在高温和高应力下保持,广泛应用于航空航天和核反应堆等领域[1-2]。镍基高温合金在航空航天领域的需求量巨大,用于制造燃气轮机的材料超过50%是镍基高温合金[3-4]。镍基系列下的Inconel 718高温合金能提供高温(温度高达1300 ℉(704 ℃))下的机械强度以及延展性,即使是在燃气轮工作环境下(1000 ℃以上),它仍具有高抗氧化性,这些特性使得它能够应用在各种极端环境中。

近年,激光技术是处理高温合金材料的一个主要方式,王亚等[5]采用低功率激光束对GH3039系列高温合金进行冲击处理,以此提高材料的耐磨性能。HASÇALIK等[6]采用CO2连续激光器对Inconel 718镍基高温合金进行切割实验,研究了激光功率、切割速度和辅助气体压力等工艺参数对切割质量的影响,通过对实验结果进行数据统计发现,激光功率对重铸层厚度的影响最大,其次是切割速度和气体压力。蔡敏等[7]使用不同脉冲激光在高温合金上进行气膜孔加工实验,结果表明,使用毫秒激光所制的孔结构的入口处有金属熔渣残留,并且存在重铸层,而飞秒激光所制的孔结构表面洁净,不存在重铸层和热影响区。与连续激光以及毫秒、纳秒脉冲激光相比,尽管超短脉冲激光能带来更高的加工质量,但昂贵的激光器价格大幅度增加了高温合金产品的加工成本,因此,工业领域迫切需要一种成本适中且能够对高温合金实现高质量加工的技术。

水射流引导激光(water jet guided laser,WJGL)(下称“水导激光”)技术是近年来国际上最受欢迎的材料加工技术之一[8-10]。这种技术融合了激光的高效去除能力和水射流的冷却能力,能够对材料实现无热损伤加工。水导激光是基于全反射效应来实现的,激光在水-空气界面发生全反射作用,水射流作为介质将激光引导至工件表面,实现激光对工件材料的加工。在此过程中,水射流不断地与切割区域材料发生对流换热,对切割区域材料实现快速冷却,因此,使用该技术加工后的材料不存在热影响区和重铸层。激光热量将金属材料加热至熔化后,高压水射流冲击熔渣将其快速清除。因此,采用水导激光切割金属材料比传统干式激光具有更好的表面完整性。基于以上特点,水导激光技术在耐热金属材料的处理方面具有较大的应用潜力。

国外学者对水导激光技术的应用进行了大量实验研究。RASHED等[11]分别采用水导激光技术和电火花技术对燃料喷射器喷嘴进行微孔加工,并对加工后的孔精度和孔壁表面质量进行评估比较,结果表明,采用水导激光技术加工的微孔直径平均误差约为1 μm,而电火花技术加工的微孔直径平均误差为3 μm,并且,水导激光技术所加工的微孔内壁粗糙度远低于电火花技术,这说明水导激光技术可以替代传统电火花技术对燃料喷射器喷嘴的微孔进行制造。HOCK等[12]将水导激光技术用于金属板切割,并与传统激光切割技术进行对比发现,水导激光切割金属板并没有产生热影响区和金属残渣等缺陷。国内一些科研机构对水导激光的应用也进行了深入探索。WU等[13]采用水导激光技术对大厚度CFRP材料进行切割实验,比较了不同工艺参数下的切割质量,通过实验结果发现,激光水射流的切割路径和碳纤维排列的方向对切割质量影响很大,并由此总结出了CFRP材料的三种损伤机理。SHI等[14]采用水导激光技术在不锈钢、钛合金以及6061铝金属表面制造超疏水微织构,发现水导激光加工后的材料表面质量远超过传统激光,并且加工后的金属不存在热影响区。

以上概述了国内外学者在水导激光技术应用上的探索,但是关于水导激光技术在Inconel 718合金材料上应用的报道还很少。因此,本研究采用水导激光设备对Inconel 718金属板材进行了沟槽结构制造实验,旨在探究水导激光工艺参数对沟槽形貌的影响规律以及沟槽的形成机理。

1 实验设计

1.1 实验设备与材料

本实验采用自主研发的水导激光设备在镍基系列Inconel 718高温合金进行沟槽结构制造实验。设备如图1所示,它由五部分组成:①激光发生器(YLR-2000-WC);②水循环装置;③数控机床;④水光耦合装置;⑤计算机控制系统。实验材料为Inconel 718合金板,其力学性能如表1所示。

表1 Inconel 718合金的力学性能

图1 水导激光加工设备

设备工作示意图见图2。激光器经过扩束镜组到达分光镜,部分光源传输到CCD相机,其角度可以进行X、Y方向的调节,用于光束与水束对准检测。光源继续向下传输,经过聚焦透镜的聚焦与耦合腔内部的去离子水发生水光耦合。激光-水射流从喷嘴喷出,到达材料表面后与材料发生热作用。

图2 水射流引导激光工作示意图

1.2 实验方法

本实验主要探究水导激光技术在Inconel 718合金上进行微型沟槽制造的特性。影响水导激光加工效果的因素很多,基于先前的实验经验和文献,我们将影响因素分为两大类,第一类是对材料分子产生加热效应的因素,包括激光功率、激光频率、进给速度和扫描次数;第二类因素直接关系到材料的冷却和熔渣的清除,与水射流压力相关。以上因素过多且复杂,因此,我们将第一类影响因素通过计算整合为激光能量密度,将第二类因素的水射流压力通过仿真转换为水射流速度,探究激光能量密度和水射流速度对沟槽形貌的影响规律。

在水导激光加工中,全反射效应使激光能量在水射流径向截面中呈均匀分布,激光能量密度与平均激光功率和激光脉冲频率相关:

(1)

式中,P为平均激光功率;D为水射流直径;f为激光频率;I为激光能量密度;E为激光能量;A为水射流径向界面面积。

根据式(1)以及仿真结果设计激光能量密度和水射流速度等工艺参数,如表2所示。加工路线采用图3中往复扫描划线的方式。激光水射流从样品片边缘开始,往内直线移动10 mm距离,然后按照原路径返回起始点。为避免偶然性,每组实验重复3次。

表2 实验工艺参数

图3 沟槽结构制造路径示意图

1.3 实验表征与测量方法

将沟槽深度、沟槽宽度和沟槽边缘毛刺尺寸作为评价指标。为了准确观察和测量这些表征,用无水乙醇通过超声波清洗机清洗工件,并通过三维显微镜(DSX1000,日本OLYMPUS)获得凹槽边缘形貌的图像。用砂纸对沟槽的横截面进行抛光,用同样的方法测量沟槽横截面深度的形态。最后,用砂纸将沟槽表面进行抛光,以便获得更清晰的毛刺形态图像。

每个试样工件量取5次数据,取其平均值,如图4所示。采用直方图均衡法[15]对毛刺形态的图像进行灰度化处理,然后通过二维离散傅里叶变换将图像从灰度分布转变为频率分布。最后,通过增加特定的高频信号的系数来改善图像细节和纹理的对比度。

图4 沟槽结构尺寸示意图

为了定义毛刺尺寸,将10 mm沟槽结构划分为15个长度单位,如图5所示。通过图像处理得到毛刺的边界,毛刺尖端和边界之间的长度代表第i单元的毛刺长度,用Hi表示。毛刺尺寸平均值Hl用于表示沟槽的均匀性,Hl越小则认为沟槽越整齐。Hl可表示为

图5 沟槽结构的毛刺尺寸示意图

(2)

2 结果与讨论

2.1 水射流速度数值分析与模型验证

基于COMSOL软件建立了水射流喷嘴结构数学模型,对水射流喷嘴的速度场进行仿真模拟。根据质量守恒定律,控制体内流体质量的变化等于流入与流出之差。对于流场中的任意微观二维单元,其内部流体密度与时间的关系可用连续性方程描述:

(3)

式中,ρ为流体密度;t为时间;v1、v2分别为速度矢量v在两个方向的分量。

基于牛顿第二定律,控制体内的流体在单位时间内的动量变化等同于动量的增减差与外界力之和,两个方向的动量变化可以用连续微分方程表示:

(4)

式中,p为控制体积单元上的压力;fj为控制体积单元j方向的体积力;Fj为控制体积单元j方向的黏性力。

选用Realizablek-ε湍流模型进行求解。

根据实际工况条件,模拟的孔径尺寸为0.5 mm,喷嘴上方水层厚度为1 mm,网格类型采用流体动力学网格。将液体压力作为入口边界条件。仿真结果如图6所示,当水压为0.80,1.25,1.80,2.45 MPa时,该工况下喷嘴出口水射流速度分别为42,51,60,69.3 m/s。

(a)0.8 MPa (b)1.25 MPa

2.2 沟槽深度变化分析

2.2.1激光能量密度对沟槽深度的影响

沟槽结构深度在很大程度上能够直接反映水导激光的加工能力。图7展示了沟槽结构深度随激光能量密度的变化情况。水射流速度固定为60 m/s,当激光能量密度为10,20,30,40 J/cm2时,沟槽深度分别为372,455,496,523 μm。可以看出,随着激光能量密度的倍增,沟槽深度呈现缓慢递增趋势。

图7 不同激光能量密度下的沟槽结构深度

通过数据处理发现,沟槽深度并没有随着激光能量密度的倍增而出现成倍增大,而是呈现逐渐减缓的趋势。为了探究原因,在2 mm厚的Inconel 718板材上进行改变激光水射流扫描次数的单变量实验。实验结果表明,当扫描次数增加到一定数值(8次左右)后,沟槽深度不会再随着扫描次数的增加而增大。如图8所示,在激光能量向沟槽深处z方向扩散的过程中,有相当多的能量与x、y方向上的沟槽侧壁材料发生热传递,这些热传递效应对加工来说是负面的,因为其结果是给烧蚀区周围的材料造成了不必要的热损伤。此外,当水导激光作用于z方向的材料时,部分熔体在沟槽深处的烧蚀区域凝固形成重铸层。同时,高温促使熔体发生喷射,部分喷射物在被水射流冲刷之前凝固成熔渣。这些熔渣和重铸层共同抑制了激光能量在靶材z方向的扩散,导致更少的热量对z方向的材料进行烧蚀。也就是说,沟槽越深,就有更多的激光热量作用到沟槽侧壁、重铸层和熔渣上。当沟槽深度足够深后,由于微型沟槽结构的宽度很小,激光能量无法有效作用到沟槽的最深处。同时,水射流在窄小的沟槽深处撞击壁面引起溅射,最终导致激光全反射失效。因此,沟槽结构的深度并不能随着激光能量密度的倍增而呈倍增的趋势。

图8 水导激光制造沟槽结构示意图

2.2.2水射流速度对沟槽深度的影响

激光能量密度为20 J/cm2,水射流速度依次为40,50,60,70 m/s,进行扫描实验。图9展示了不同水射流速度下的沟槽深度变化,可以看出,水射流速度对沟槽深度具有正向促进作用,并且水射流对沟槽深度作用的显著性要低于激光能量密度。在水导激光加工技术中,水射流的主要作用是传输激光、冲刷熔渣和冷却材料。水射流对熔渣的清除能力与水射流的冲击力有关,水射流的冲击力表示为[16]

图9 不同水射流速度下的沟槽结构深度

(5)

式中,ρ为射流密度;v为射流速度。

当水射流速度增大时,它对熔融物的冲刷能力也随之增强。高速水射流促进了沟槽深处熔渣的排屑,减小了沟槽底部重铸层的阻碍,有助于激光能量进一步作用于沟槽z方向的靶材。因此,随着水射流速度的增大,沟槽深度也略微增大。

2.3 沟槽宽度变化分析

2.3.1激光能量密度对沟槽宽度的影响

图10展示了不同激光能量密度下的沟槽宽度数据。可以看出,当激光能量密度为10,20,30 J/cm2时,沟槽宽度基本不变。当激光能量密度达到40 J/cm2时,沟槽宽度明显增大,同时,烧蚀区域宽度也增大。

图10 不同激光能量密度下的沟槽宽度

沟槽宽度取决于喷嘴直径,在本实验中采用的喷嘴出口尺寸为0.5 mm,但加工的沟槽结构宽度约为400～420 μm,小于理论数值。出现这种结果是由于射流的收缩效应[17],实际水射流的直径只有喷嘴直径的83%。此外,沟槽宽度还和激光光斑重叠率有关。当激光水射流移动时,水射流柱边缘区域激光光斑重叠率低于中心区域。高的激光光斑重叠率有助于更多材料的熔化,而低的光斑重叠率会造成材料烧蚀不充分。当水射流边缘区域的激光能量密度低于材料的熔化阈值时,该区域的材料不能被充分烧蚀,所以此时的沟槽宽度略小于理论值;当水射流边缘区域的激光能量密度达到一个界限值时(30 J/cm2和40 J/cm2之间),该区域的材料熔化,因此激光能量密度达到40 J/cm2时,沟槽宽度增至446 μm。

2.3.2水射流速度对沟槽宽度的影响

图11所示为激光能量密度固定为20 J/cm2,不同水射流速度下的宽度数据。可以看出,水射流速度与沟槽宽度有正相关关系,与烧蚀区域宽度有负相关关系。水射流通过与材料接触发生冷热交换,在极短时间内带走大量热量。水射流与材料的对流换热作用可以通过牛顿冷却公式表示:

图11 不同水射流速度下的沟槽宽度

(6)

式中,Q为对流换热的热流密度;h为表面传热系数;ΔT为材料与流体的温度差。

当水射流速度增大时,与材料发生对流换热的流体在更短时间内发生更替,促使材料与流体之间始终保持了一个高的温度差。因此,高速水射流带来更高效率的对流换热,更多的激光热量被带走,材料中的热积蓄减少,烧蚀区域也相应减小。

2.4 毛刺尺寸变化分析

2.4.1激光能量密度对毛刺尺寸的影响

图12所示为水射流速度固定为60 m/s,不同激光能量密度下的毛刺尺寸。结果表明,当激光能量密度为10,20,30,40 J/cm2时,毛刺的平均尺寸分别为93,78,62,54 μm。

图12 不同激光能量密度下的毛刺尺寸

毛刺存在的原因是沟槽结构边缘区域的材料烧蚀不均匀、不充分,残存下来形成了毛刺结构。在水导激光烧蚀Inconel 718的过程中,金属材料的去除机理有两种。当作用于金属分子表面的激光能量密度低时,电磁辐射会激发电子,使电子与中性分子发生碰撞,金属原子在晶格节点周围以超高频激发和振动,此时,金属由固态变为液态。在这种情况下,材料去除依靠水射流的冲击力。材料去除的难易程度不仅与水射流速度有关,还与液态合金的黏度有关[18]:

η=Aexp(B/(RT))

(7)

式中,A的大小取决于合金的物理性质;B的大小取决于金属熔化的温度;R为气体常数;T为熔融金属的绝对温度。

显然,液态合金的黏度η与其绝对温度成负相关。也就是说,温度较高的金属熔体黏度较低,更容易被水射流去除。

当高激光功率密度作用于金属材料时,激光能量迅速积累,金属从固体变为金属蒸气。同时,金属蒸气在高功率激光辐照下电离产生自由电子,导致自由电子的密度增大。当自由电子的密度上升到临界值时,发生光学击穿,形成包含自由电子和中性离子的等离子体。随后,等离子体吸收能量,随着压力的增大而爆炸。等离子体爆炸会产生冲击波,冲击波对熔化材料的去除起着重要作用。等离子体内部的压力会在爆炸发生前达到阈值,可表示为[19]

(8)

式中,pmax为等离子体爆炸前的最大压力;k为等离子体的内能转化成热能的比例;Z为水介质与金属靶材折合成的声抗阻;I0为此时的激光能量密度。

可见,等离子体爆炸的程度与激光能量度密切相关。

基于以上两种情况,水导激光烧蚀金属材料的微观过程便清晰可见:在低激光功率密度下,熔融金属颗粒依靠水射流的冲击去除;在高激光功率密度下,金属熔融物的黏滞性更低,更容易脱离基体。更重要的是,高激光功率密度使得金属蒸汽介质中的自由电子密度迅速增长,形成大量等离子体。等离子体爆炸形成的冲击波对熔融金属和金属蒸汽脱离基体起到了决定性作用。因此,作用于金属材料上的激光功率密度是决定毛刺残留尺寸的关键。也就是说,当激光能量密度从10 J/cm2增至40 J/cm2时,材料表面的等离子体爆炸程度也随能量密度的增大而增大,使得沟槽结构边缘区域的材料烧蚀更充分,因此毛刺尺寸减小。

2.4.2水射流速度对毛刺尺寸的影响

图13所示为激光能量密度固定为20 J/cm2,不同水射流速度下沟槽结构边缘的毛刺尺寸。当水射流速度依次为40,50,60,70 m/s时,平均毛刺尺寸分别为74,69,61,59 μm。与图14对比可知,激光能量密度对沟槽结构毛刺残留的影响程度要高于水射流速度的影响。

图13 不同水射流速度下的毛刺尺寸

(a)v=40 m/s

为了进一步探究水射流速度对于毛刺结构形成机制的影响,使用扫描电子显微镜(Quanta,FEI,美国)观察沟槽结构内壁的形态。图14a展示了激光能量密度为20 J/cm2、水射流速度为40 m/s时的沟槽内壁形貌,可以看出,内壁上方入口处存在不规则的“山脊”状凸起和“沟壑”状凹坑,并且内壁表面有明显的水射流冲刷痕迹,这些正是毛刺的微观结构。图14b展示了激光能量密度为20 J/cm2、水射流速度为70 m/s时的沟槽内壁形貌。与图14a对比可知,70 m/s水射流速度下的内壁入口更加整齐,毛刺尺寸明显减小,随着水射流冲击能力的提高,沟槽结构内壁呈现出更规律的形貌。

3 结论

(1)建立了水射流速度与压力之间的关系模型,通过数值模拟仿真得到水射流速度分别为40,50,60,70 m/s时的水压力分别为0.80,1.25,1.80,2.45 MPa。

(2)使用水射流引导激光在Inconel 718板材上制造沟槽结构,沟槽深度特征随着激光能量密度的增大而显著增大,随着水射流速度的增大而缓慢增大。当激光能量密度在30 J/cm2以内时,沟槽宽度维持在420 μm以下;当激光能量密度到达40 J/cm2时,沟槽宽度达到446 μm。

(3)当激光能量密度由10 J/cm2增至40 J/cm2,沟槽结构的毛刺尺寸由93 μm降至54 μm。这是因为沟槽边缘区域在40 J/cm2的能量密度下得到了充分烧蚀。当固定激光能量密度为20 J/cm2,将水射流速度由40 m/s增至70 m/s,毛刺尺寸由74 μm降至59 μm。当激光能量密度和水射流速度足够大时,金属能够被充分烧蚀并清除,此时的毛刺尺寸小,当激光能量密度或水射流速度不足时,易留下较长的毛刺结构。