飞秒激光能量密度对镍基合金重铸层和加工效率的影响

张 伟，张晓兵，蔡 敏，纪 亮

（1. 中国航空制造技术研究院，北京 100024；2. 高能束流加工技术国防科技重点实验室，北京 100024）

小孔加工是激光加工应用中最早实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。现代航空发动机叶片上包含了大量直径在0.3～1mm之间的冷却小孔，加工这些冷却孔需要占用相当多的生产时间和成本。国外已经将激光加工技术引入到航空发动机涡轮叶片冷却孔的制造，并证明这是一种经济高效率的加工方法。但目前应用的毫秒激光、纳秒激光等长脉冲激光制孔方式由于存在强烈的热效应，将不可避免地在加工区域产生重铸层、微裂纹、热影响区等加工缺陷，这些缺陷将成为影响叶片服役寿命的重大隐患[1-5]。

20世纪90年代，超短脉冲飞秒激光器得到商业化应用，为高质量的材料加工提供了新的有效工具[6-10]。飞秒激光微加工技术作为一项高新材料加工技术，以其超高精度和超低附带损伤的特性迅速成为材料微加工领域的前沿性研究方向，具有广阔的应用前景[11-15]。21世纪初，飞秒激光开始用于航空发动机涡轮叶片气膜孔的加工研究[15]。

目前，针对航空发动机高压涡轮叶片的镍基单晶高温合金材料的加工研究工作中发现：飞秒激光能量密度与其损伤材料机制密切相关。不同飞秒激光能量密度下镍基单晶高温合金呈现两种损伤机制（非热熔性损伤和热熔性损伤），单脉冲非热熔性损伤阈值（Φth1）和热熔性损伤阈值（Φth2）分别为0.23J/cm2和1.21J/cm2[16]。飞秒激光加工小孔没有出现危害性的加工缺陷，加工质量明显优于传统长脉冲激光和电加工方式[17]，但到目前为止，对于加工质量重要的表征因素——重铸层，有关飞秒激光加工过程中其影响因素和形貌特征的研究还非常有限。目前，已有研究结果表明，飞秒激光热效应和加工效率与能量密度相关，而加工效率是飞秒激光微加工技术能够实现工业化应用的关键因素之一[18-19]。深入系统地开展飞秒激光加工过程中重铸层和加工效率的影响因素研究，并建立影响因素与重铸层和加工效率的关系，能够为飞秒激光用于航空发动机涡轮叶片气膜孔的制造提供工艺优化依据。

本文在飞秒激光对镍基单晶高温合金损伤机制和阈值行为研究结果的基础上，深入系统地研究了飞秒激光能量密度（0＜Ф＜44.2J/cm2）对重铸层和加工效率的影响规律，并建立了飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的定量关系。

图1 飞秒激光加工系统示意图Fig.1 Sketch of the experimental setup for laser micromachining

图2 镍基合金经飞秒激光在N=500和不同能量密度加工后纵截面典型加工形貌Fig.2 SEM images of a trench machined by a femtosecond laser in nickel-based superalloy with N=500 laser pulses at different laser fluence

1 试验方法

试验采用航空发动机高压涡轮叶片材料——镍基单晶高温合金（原子百分含量Ni 68.4%、Al 13.8%、Ta 2.7%、Re 1.6%、W 1.9 Co 7.3%、Cr 3.3%。试样尺寸为直径10mm、厚度0.5mm的圆片，表面经过磨抛处理。飞秒激光加工系统如图1所示，包括飞秒激光器（脉冲宽度120fs，波长780nm，重复频率1kHz）、光路传输和控制单元（多级波片、偏振分光棱镜、全反镜、数值孔径为0.14和0.25的聚焦物镜等）、三维移动平台（步进精度125nm）。为了简化试验和分析过程，采用扫描划线加工方式分析能量密度对重铸层的影响，扫描速率均设置为360μm/s，加工区域每个点脉冲个数N为500个，加工后试样经超声清洗表面。为了表征孔壁重铸层，对加工试样进行切割，镶样机热镶后，对纵截面进行磨抛和侵蚀处理。采用扫描电镜（Scanning Electron Microspace,SEM）进行显微形貌和组织观测，采用原子力显微镜（Atomic Force Microspace, AFM）进行微纳米级加工深度测量。

2 试验结果

2.1 能量密度对重铸层的影响

图2为镍基合金经飞秒激光在N=500和不同能量密度加工后纵截面典型加工形貌。当能量密度为0.88 J/cm2时（约为镍基合金非热熔性损伤阈值Φth1的4倍，

图3为镍基合金经飞秒激光在N= 500加工后重铸层厚度与能量密度的关系。结果显示：在能量密度高于镍基合金非热熔性损伤阈值（0.23 J/cm2）低于热熔性损伤阈值（1.21 J/cm2）[16]时，没有明显重铸层存在。当能量密度高于热熔性损伤阈值时，重铸层开始出现，并随着能量密度的增加而不断增加，能量从1.21J/cm2增加到44.2 J/cm2，重铸层厚度从0.2 μm增加到4.8μm。

2.2 能量密度对加工效率的影响

图4总结了镍基合金飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的关系。结果显示：以镍基合金非热熔性和热熔性损伤阈值为分界点，飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度之间呈现两种不同的关系。第一种关系存在于非热熔性损伤阈值（Φth1）与热熔性损伤阈值（Φth2）之间，如图4箭头所指处所示，飞秒激光单脉冲加工深度在20～50nm之间，加工深度与能量密度呈线性关系。随着能量密度的增加，单脉冲加工深度增加速率缓慢；第二种关系存在于热熔性损伤阈值（Φth2）以上，如图4箭头所指处所示，加工深度与能量密度仍呈线性关系，与第一种关系相比，随着能量密度的增加，单脉冲加工深度增加速率较快。

双温模型描述了飞秒激光与材料交互作用时处于非平衡态的电子和晶格的温度变化过程，并指出飞秒激光加工深度S与能量密度Φ之间存在如下的关系式[20]：

S=(1/α)ln(Φ/Φth) ， （1）式中，1/α为激光穿透深度，Φth为损伤阈值。根据式（1）和图4的试验结果分别对加工深度和能量密度的两种关系线性拟合，结果得出：在第一种关系下，1/α和Φth分别为14nm和0.2J/cm2；在第二种关系下，1/α和Φth分别为144nm和1.2J/cm2。两种关系下Φth的两个数值分别与单脉冲非热熔性损伤阈值（0.23J/cm2）和热熔性损伤阈值（1.21J/cm2）基本一致，证明了试验结果的合理性。因此，非热熔性和热熔性损伤下，飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的关系为：

图3 镍基合金经飞秒激光在N = 500加工后重铸层厚度与能量密度关系Fig.3 Recast layer as a function of the laser fluence at the constant pulse number N = 500 in nickel-based superalloy

图4 镍基合金飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的关系Fig.4 Ablation depth for single pulse as a function of the laser fluence in Ni-based superalloy

图5 镍基合金经飞秒激光加工单个微孔时间与能量密度的关系Fig.5 Machining time for single hole as a function of the laser fluence in nickel-based superalloy

在以上飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度关系的基础上，试验在热熔性损伤条件下对厚度为500μm的样品进行直径为500μm的微孔加工，进一步研究能量密度对加工效率的影响。图5为镍基合金经飞秒激光加工单个微孔时间与能量密度的关系。结果显示：随着能量密度的增加，加工单个微孔所用的时间逐渐降低，能量密度从3.9J/cm2增加到19.6J/cm2，单个微孔的穿透时间从90min下降到6min，这一规律与飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度关系规律一致。

3 分析讨论

能量密度是影响飞秒激光加工的一个重要参数[16-19]。飞秒激光具有两种损伤方式，分别为非热熔性损伤和热熔性损伤，与能量密度密切相关。由固定的热熔性损伤阈值把两种损伤严格的分开。在飞秒激光热熔性损伤下，随着能量密度的增加，加工侧壁重铸层厚度增加（见图2～3）。飞秒激光在较高的能量密度下将导致重铸层以及重铸层中疏松孔洞等加工缺陷的存在，从而导致加工质量的降低（见图2）。

本文在试验结果的基础上得到了非热熔性和热熔性损伤下飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的定量关系式（2）～（3）。首先，在非热熔性损伤下（Φth1＜Φ＜Φth2），飞秒激光单脉冲加工深度在20～50nm之间，并且随着能量密度的增加，单脉冲加工深度增加较缓慢，此时飞秒激光加工效率较低。在热熔性损伤下（Φ＞Φth2），飞秒激光单脉冲加工深度在50nm以上，并且随着能量密度的增加，飞秒激光单脉冲加工深度增加较快，与非热熔性损伤下飞秒激光加工效率相比，热熔性损伤下加工效率较高。能量密度对微孔加工时间的影响研究进一步证明了热熔性损伤机制下能量密度与加工效率的直接关系，即随着能量密度的增加，加工单个微孔所用的时间逐渐降低，能量密度从3.9J/cm2增加到19.6 J/cm2，穿透时间从90min下降到6min。从微孔加工效率而言，本文认为提高能量密度是提高加工效率的有效方法。

4 结论

飞秒激光对镍基合金加工过程中，能量密度与重铸层厚度和加工效率密切相关：在Φth1＜Φ＜Φth2时，镍基合金经飞秒激光加工后加工侧壁没有出现明显的重铸物；在Φ＞Φth2时，加工侧壁开始出现重铸物。随着能量密度的增加，重铸层厚度增大。能量密度越高，飞秒激光单脉冲加工深度越大，加工效率越高。在试验结果的基础上，建立了飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的定量关系。

参 考 文 献

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