[發明專利]水射流環境下氣膜孔超快激光加工裝置及方法

在審

• 申請號: 201811407829.8
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109483060A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 沈洪;鄭昌隆;封得財;閆靜雯
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36;B23K26/122;B23K26/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明提供了一種水射流環境下氣膜孔超快激光加工裝置及方法，裝置包括：三軸運動工作臺系統、超快激光器、水射流循環裝置、控制系統。待加工樣件通過特定夾持裝置固定在水容器內，水容器固定在三軸運動工作臺上，水容器通過排水管和水槽連接；媒介水通過水泵從水槽抽出，經由注水管，從水射流噴嘴流到待加工樣件表面；超快激光器發出的激光穿過水射流薄膜聚焦在待加工樣件表面進行加工。本發明結合了傳統空氣及水下激光打孔的優點，既保證了超快激光打孔的加工效率，又減少了待加工樣件表面及微孔內壁的微裂紋，消除熔渣堆積和重鑄層，提高了樣件幾何形貌精度。

技術領域

本發明涉及超快激光加工技術領域，具體地，涉及一種水射流環境下氣膜孔超快激光加工裝置及方法，尤其涉及一種水射流環境下帶熱障涂層葉片氣膜孔超快激光加工方法及裝置。

背景技術

隨著航空航天技術的高速發展，金屬材料的單獨使用已不能滿足在高溫環境下的使用要求。例如鎳基單晶葉片，需要通過采用氣膜冷卻結構、表面制備熱障涂層等工序，提升渦輪葉片工作溫度。在燃氣渦輪發動機葉片表面涂覆陶瓷熱障涂層(thermal barriercoatings簡稱TBCs)，能夠起到隔熱和降低葉片表面溫度的效果，當涂層材料、厚度、噴涂工藝等條件一定時，氣膜冷卻狀態將直接影響涂層隔熱效果。

因此，目前需要一種針對帶熱障涂層葉片氣膜孔的加工方法，能夠提高加工質量的同時兼顧加工效率。如專利文獻CN104907649A公開的一種帶熱障涂層金屬零件的磨料水射流－電火花復合制孔方法及裝置，利用磨料水射流加工工件表面不導電的熱障涂層孔型，待金屬基體裸露之后，再利用電火花加工金屬基體的孔型；這種方法本質上仍然是對熱障涂層和金屬材料分別進行制孔處理，無法有效保證開孔處的材料質量，大幅降低性能。

鑒于電火花制孔方法的局限性，采用激光打孔是制備冷卻孔道實現氣膜冷卻的另一可行方法，并且只有激光制孔技術可以實現陶瓷層的加工。研究先涂覆熱障涂層再進行激光打孔的技術，對實現熱障涂層技術在航空發動機上的廣泛應用具有重要意義。

激光加工在氣膜孔打孔方面具有很大潛力，早期激光微孔加工多采用長脈沖激光，但存在熱影響區大、加工精度差、加工質量差等缺陷，孔的加工過程中會產生較厚的重鑄層，其中分布有大量微裂紋，大幅降低渦輪機葉片的服役性能。而相對于長脈沖激光，超快激光在渦輪葉片氣膜孔加工上具有顯著優勢。但不同的加工環境，會對樣件的加工質量造成很大的影響。空氣環境下打孔存在明顯微裂紋和重鑄層，真空環境下打孔存在氧空位、晶格扭曲現象，靜態水環境下打孔存在水位保持問題和效率低下問題。

如專利文獻CN108296633A公開的一種激光水射流加工裝置及其應用，，加工裝置包括激光發射裝置及與其連接的激光頭，所述的激光頭包括依次同軸連接的噴頭、轉動盤、分離基座及連接座，在噴頭、轉動盤及分離基座的中心同軸連通制有激光通孔，該激光通孔與連接座的激光透過孔連通，在噴頭內制有第一水流道，在第一水流道上安裝水噴頭，在轉動盤內制有第二水流道，轉動盤與分離基座之間的間隙形成第三水流道，在分離基座內制有第四水流道，在分離基座的外壁制有進水口，在連接座內制有多個輔助氣體進孔。這一現有技術種的水射流的作用主要在于激光制孔后的快速淬火，雖然能夠在一定程度上提升制孔處的材料質量，但仍無法避免微裂紋和重鑄層的問題。

綜上，提供一種射流環境下帶熱障涂層葉片氣膜孔超快激光加工方法及裝置，具有較高的必要性和現實意義。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種水射流環境下氣膜孔超快激光加工裝置及方法。

根據本發明提供的水射流環境下氣膜孔超快激光加工裝置，包括三軸運動工作臺模塊、超快激光器、水射流循環模塊以及控制模塊；所述超快激光器能夠產生超快激光并照射至三軸運動工作臺模塊的加工位置；所述水射流循環模塊與三軸運動工作臺模塊相連；所述控制模塊能夠控制超快激光器產生的超快激光。