[發明專利]一種帶熱障涂層渦輪葉片氣膜冷卻孔的制備方法

有效

• 申請號: 201410213527.2
• 申請日: 2014-05-20
• 公開（公告）號: CN103990910A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 王恪典;凡正杰;梅雪松;王文君;段文強;袁新;高偉芳
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K26/384
• 分類號: B23K26/384
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于激光應用技術領域，特別涉及一種帶熱障涂層鎳基高溫合金基體激光打孔方法。

背景技術

目前的航天領域的制孔工藝主要有電火花加工、電解加工、激光加工、傳統的鉆削加工以及它們之間的復合加工方法等，其中電火花加工和電解加工只局限于對導電介質的加工，由于陶瓷涂層不導電，故這些方法不能用于帶陶瓷涂層零件的加工；而對于鉆削加工方法而言，一方面由于鉆削過程中刀具與零件之間會產生巨大的作用力，極易使涂層脫落，另一方面在高硬度的高溫合金材料上加工直徑小于2mm的小孔時，因鉆頭過細，鉆頭容易折斷，而導致無法完成加工。據統計，當今航空發動機包含約100000個氣膜冷卻孔，如此多的冷卻孔的加工要求加工時間盡可能短、加工成本盡可能低。而激光打孔工藝不需要工作電極和復雜的工裝系統，且易于加工高硬度、非導電材料等，所以與電解加工、電火花加工相比激光加工有著較高的加工效率，具有很好的應用前景。

對于多層材料系統的激光加工而言，層與層之間的分層開裂(delamination)是激光在帶涂層基體上打孔的主要問題。“分層開裂”現象主要產生于粘結層和基體界面(BC/substrate)處、陶瓷層和粘結層界面(TC/BC)處。在服役時候，這種“分層開裂”容易向其他部位蔓延，將會導致涂層的過早失效，分層開裂成為激光在帶熱障涂層渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔的主要障礙。分層開裂現象的出現是多方面因素造成的，首先，陶瓷材料的熔點遠大于金屬基體的熔點，加之陶瓷的熱傳導系數較低，因此，對于傾斜角度較大的小孔加工，在激光一次加工陶瓷與基體過程中，陶瓷部分的小孔較基體部分的小孔去除較少的材料而形成凸起現象(undercutting)，凸起現象十分不利于熔化金屬的噴射，能使熔化金屬產生很大的沖擊應力作用于陶瓷層，使其撕脫產生分層開裂現象；其次，陶瓷層是熱障涂層系統的核心，但由于材料的固有屬性，其熱膨脹系數相對基體和粘結層都較小，且質脆，對于傳統的涂層和基體一次性去除而言，激光焦點位于陶瓷面上，距界面結合處距離較近，使得界面結合處的溫度梯度較大，在具有較大的溫度梯度情況下極易因熱膨脹系數不匹配而出現分層開裂現象；最后，對于涂層和基體的一次性激光加工去除，當激光加工到基體時，斜孔由于形狀的不對稱性加之孔口前沿尖銳的幾何形狀，大部分高溫高壓熔融金屬從近陶瓷孔口前沿噴射出來，容易導致此處的界面結合層出現分層開裂缺陷。因此，激光打帶涂層基體孔時，如何有效避免打孔過程中的分層開裂現象是航天制造領域的一個技術難點。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種帶熱障涂層渦輪葉片氣膜冷卻孔的制備方法，能有效防止制孔過程中陶瓷層、粘結層、基體之間的分層開裂現象，提高加工效率，保障加工質量，而且可加工直徑在0.2mm-1mm小孔。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種帶熱障涂層渦輪葉片氣膜冷卻孔的制備方法，包括下述步驟：

1)利用散焦毫秒激光在渦輪葉片陶瓷層上旋切錐形孔，同時用高頻感應加熱渦輪葉片基體部分，具體為：

①將渦輪葉片固定在激光設備的工作臺上，根據氣膜冷卻孔的傾斜角度調節激光頭與渦輪葉片的夾角，調節激光頭與渦輪葉片預打孔位置的距離，使其激光的離焦量為5mm～8mm；

②調節激光參數：調節激光峰值功率為12～14KW，激光脈沖寬度為0.2～0.5ms，重復頻率為60～70HZ，施加輔助氣體壓力為0.3～0.5Mpa；

③控制系統中編程激光旋切路線，設定旋切速度為0.3～0.5mm/s、旋切次數為2～3次；

④調節高頻感應工作頻率為20～25KW，預熱渦輪葉片基體到溫度恒定，打開激光器，用旋切方法在渦輪葉片陶瓷層上加工錐形孔；

2)用聚焦毫秒激光加工渦輪葉片基體部分孔，具體為：

①調節激光參數：調整激光峰值功率為14～16KW，激光脈沖寬度為0.3～0.6ms，重復頻率為20～30HZ，施加輔助氣體壓力為0.3～0.5Mpa；

②調節激光頭與渦輪葉片預打孔位置的距離，使激光焦點位于錐形孔底部，用直沖式打孔方法加工渦輪葉片基體部分，直到氣膜冷卻孔成型。

所述的在渦輪葉片陶瓷層上旋切的錐形孔的孔徑為渦輪葉片基體孔徑1.5-2倍。