水導(dǎo)激光器更多地應(yīng)用于陶瓷和復(fù)合材料等先進(jìn)材料的加工。本文旨在研究水導(dǎo)激光器在熱障涂層鎳高溫合金上鉆削銳角孔的基本特性，并與目前最先進(jìn)的QCW毫秒光纖激光器進(jìn)行比較。水導(dǎo)激光打孔質(zhì)量(就熱損傷而言)與冷燒蝕過(guò)程非常相似(即在基材內(nèi)部不產(chǎn)生任何熱缺陷的加工)。水導(dǎo)激光加工的材料去除機(jī)制似乎是蒸汽壓力、沖擊沖擊壓力和水射流壓力作用下的熔體噴射的結(jié)合。
圖1、水射流制導(dǎo)激光加工原理
圖1(a)和圖1(b)分別顯示了水導(dǎo)激光系統(tǒng)的照片視圖和原理圖，其中激光束通常為535 nm激光，聚焦在直徑為40 ~ 150 μm的加壓水射流上。加壓的水射流作為光束導(dǎo)流器，通過(guò)全內(nèi)反射將激光脈沖引導(dǎo)到激光照射區(qū)。雖然激光聚焦光斑尺寸小于水射流直徑，但由于內(nèi)部反射，激光束在水射流內(nèi)部均勻化，在激光照射區(qū)域內(nèi)，光束和射流的直徑保持不變。
圖2、ms和水導(dǎo)激光打孔掃描技術(shù)
毫秒(ms)和水導(dǎo)激光鉆孔采用的激光束掃描策略分別如圖2(a)和(b)所示。采用ms激光的標(biāo)準(zhǔn)鉆孔(圖2a)包括初始沖擊鉆孔(或穿孔以獲得通導(dǎo)孔)，然后沿著相同的圓形路徑進(jìn)行一系列激光運(yùn)動(dòng)(或軌道)以獲得所需的孔直徑。在初始穿孔過(guò)程中，大部分熔體從頂部噴出，而在環(huán)形套管鉆孔過(guò)程中，大部分熔體從后部噴出。水導(dǎo)激光鉆孔采用螺旋鉆孔法(圖2b)，該方法不需要建立導(dǎo)孔。水導(dǎo)激光器沿著圓形路徑運(yùn)動(dòng)，水射流發(fā)出的激光束繼續(xù)以向下螺旋的方式穿過(guò)孔，而水導(dǎo)激光頭與工件表面保持相同的距離。在水導(dǎo)激光工藝中，大部分燒蝕材料被水向上沖刷。一旦激光穿透了材料，再繞幾圈或轉(zhuǎn)幾圈就可以使孔的邊緣變得平滑。
圖3、毫秒激光鉆孔對(duì)熱障涂層脫層和重鑄層厚度的影響
毫秒激光鉆孔參數(shù)對(duì)熱障涂層分層的影響如圖3所示。在2.4 mm厚的熱障涂層鎳合金上以30°角鉆孔0.75 mm孔。初始沖擊以2.5 J、0.25 ms、25 Hz、100次脈沖進(jìn)行，并使用空氣作為輔助氣體。鉆孔的峰值功率為10kw，脈沖持續(xù)時(shí)間為0.5 ~ 1ms。選擇這些參數(shù)是為了在鉆孔上獲得最佳的冶金性能。由于孔內(nèi)壁上有過(guò)多的重鑄層，小于0.5 ms的脈沖持續(xù)時(shí)間不是鎳高溫合金鉆孔的最合適參數(shù)。
圖4、不同螺旋鉆孔軌道數(shù)的水導(dǎo)激光鉆孔橫切面圖像
圖4顯示了螺旋軌道數(shù)量對(duì)水導(dǎo)激光在熱障涂層航空航天合金上鉆45°孔的影響。如圖所示，鉆大約120個(gè)螺旋鉆孔軌道，需要的平均功率為42W，才能以45°角完全鉆穿2.4 mm 熱障涂層鎳合金。
圖5、脈沖頻率對(duì)水導(dǎo)激光鉆孔的影響
脈沖頻率對(duì)水導(dǎo)激光鉆削等量螺旋鉆孔軌道(150條)和平均功率(42 W)的影響如圖5所示。脈沖頻率的增加降低了脈沖能量、峰值功率和功率密度，最終降低了內(nèi)部產(chǎn)生熱量的程度，從而避免了涂層-襯底界面處的熱點(diǎn)。
圖6、熱障涂層合金微毫秒激光打孔的溫度及材料去除特性
圖6和圖7分別顯示了ms和水導(dǎo)激光鉆孔的燒蝕曲線(xiàn)和溫度曲線(xiàn)。所有結(jié)果都被繪制為與脈沖結(jié)束時(shí)間(下一個(gè)激光脈沖與材料相互作用之前)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。圖6中的視圖1、視圖2和視圖3分別對(duì)應(yīng)了初始沖擊的結(jié)果：激光位于鉆孔圓的右側(cè)和激光位于鉆孔圓的左側(cè)。圖6的一個(gè)主要觀(guān)察結(jié)果是，在大多數(shù)情況下，在孔的頂部前緣觀(guān)察到一個(gè)高溫區(qū)，這應(yīng)該是熱障涂層分層的主要原因。
圖7、熱障涂層合金水導(dǎo)激光打孔的溫度和材料去除特性
從圖7中可以看出，隨著水射流冷卻的增強(qiáng)，納秒激光脈沖顯著降低了每個(gè)激光脈沖末端的殘余溫度。另一個(gè)主要觀(guān)察結(jié)果是，水導(dǎo)激光過(guò)程的熱點(diǎn)完全包含在激光照射區(qū)內(nèi)(圖7)，這最終有助于阻止熱障涂層分層。
圖8、水導(dǎo)激光材料去除機(jī)理示意圖
圖8給出了水導(dǎo)激光加工過(guò)程的合理機(jī)理。首先，通過(guò)水引導(dǎo)(圖8b)的激光脈沖(圖8a)與材料表面相互作用。激光與材料的相互作用(圖8b)導(dǎo)致輻照區(qū)內(nèi)的加熱、熔化(圖8b)和輕微的汽化(圖8c)。由于脈沖長(zhǎng)度較長(zhǎng)(~ 150 - 250ns)，部分激光束被汽化物質(zhì)吸收(圖8c)，導(dǎo)致在激光照射區(qū)上方形成等離子體(圖8d)。在這個(gè)階段，等離子體充當(dāng)水射流和材料之間的中間區(qū)域(圖8d)。這種現(xiàn)象與激光沖擊強(qiáng)化所觀(guān)察到的機(jī)制類(lèi)似，在這種機(jī)制中，被困在水層和襯底之間的等離子體產(chǎn)生了高量級(jí)的壓力波。與最先進(jìn)的納秒激光與材料的相互作用相比，等離子體產(chǎn)生的沖擊波以及高量級(jí)的蒸汽壓力加速了熔體噴射過(guò)程。一旦等離子體開(kāi)始消失，水射流與高溫激光照射的表面相互作用，表面可能仍然有一層薄薄的殘余熔體。水射流與高溫激光照射區(qū)相互作用導(dǎo)致水的爆炸性汽化，產(chǎn)生脈沖沖擊壓力，導(dǎo)致激光照射區(qū)殘余熔體層被清除。因此，在水導(dǎo)激光鉆孔上沒(méi)有觀(guān)察到重鑄區(qū)或熱影響區(qū)。
圖9、水導(dǎo)激光在與表面45°處部分鉆孔的光學(xué)顯微圖像
部分鉆孔的入口和截面如圖9所示。在最先進(jìn)的納秒級(jí)鉆孔中，孔內(nèi)的整個(gè)區(qū)域都是機(jī)械加工的，而與水導(dǎo)激光鉆孔一起使用的螺旋鉆孔技術(shù)則可以忽略壁面錐度，并且速度更快。由于激光束被引導(dǎo)穿過(guò)一個(gè)非常薄的水射流(直徑約60 μm)，因此避免了光束發(fā)散的問(wèn)題，因此鉆孔的壁直，生產(chǎn)率更高。
研究表明水導(dǎo)激光打孔工藝的基本特性如下：
1、水導(dǎo)激光可以在熱障涂層鎳合金表面產(chǎn)生銳角孔，而不產(chǎn)生涂層脫層或重鑄層。
2、水導(dǎo)激光打孔角孔時(shí)，孔前緣僅在打孔開(kāi)始時(shí)經(jīng)歷高溫。隨著鉆孔向下移動(dòng)(以螺旋方式)，高溫區(qū)域已完全包含在激光照射區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)分層鉆孔。這與毫秒激光鉆孔相反，在毫秒激光鉆孔中，從鉆孔過(guò)程開(kāi)始到結(jié)束，在孔的前緣可以觀(guān)察到有明顯更高的溫度。
3、在2.4 mm厚的材料上，用42 W 激光在表面45°、30°和15°方向上打孔0.75 mm直徑的孔，分別需要40、80和160 s左右。
4、在平均功率為500w時(shí)進(jìn)行的毫秒激光鉆孔比在42 W時(shí)進(jìn)行的水導(dǎo)激光鉆孔快10倍。高平均功率水導(dǎo)激光器可能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高生產(chǎn)率的冷卻孔鉆在涂層航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
