Ti—Ni合金飛秒激光打孔規(guī)律研究

夏振東　范楠楠　孫小燕

【摘 要】飛秒激光具有極高的峰值功率，在精密加工中有著獨(dú)特的優(yōu)勢。本文主要探索了加工參數(shù)（脈沖數(shù)、單脈沖能量和離焦量）的變化對(duì)小孔直徑、深度和圓度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：小孔直徑隨脈沖個(gè)數(shù)增加而略微增加；單脈沖能量越大，小孔直徑越大；離焦量從0向正或負(fù)方向偏移時(shí)，小孔直徑都隨之增加；小孔深度隨脈沖個(gè)數(shù)的增加而增加；單脈沖能量越大，小孔深度越大；隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，圓度誤差也相應(yīng)的增加；單脈沖能量越大，圓度誤差也越大，使用50個(gè)20μJ單脈沖能量脈沖加工，小孔圓度誤差為8.2μm；隨著激光焦點(diǎn)位置從樣品內(nèi)部逐漸移動(dòng)到樣品外部，圓度誤差逐漸增大，離焦量為0時(shí)，500個(gè)20μJ單脈沖能量的脈沖加工，小孔圓度誤差為5μm。本文所探索的飛秒激光小孔加工的規(guī)律對(duì)小孔加工實(shí)際應(yīng)用具有參考和借鑒的作用。

【關(guān)鍵詞】激光技術(shù)；飛秒激光；Ti-Ni合金；微孔加工；圓度誤差

【Abstract】Femtosecond laser has a very high peak power and a unique advantage in precision machining. This paper mainly explores the influence of the processing parameters（pulses number， single pulse energy and defocus distance） on the diameter， depth and roundness of the micro-holes. The experimental study found： With the increase of the number of pulses， the hole diameter only slightly increased. The holes diameter is larger with a larger single pulse energy. The defocusing distance from 0 to the positive or negative direction， the holes diameter increases. With the increase of the number of pulses， the depth of holes increased. The depth of holes is larger with a larger single pulse energy. The roundness error of the holes increases with the pulse number increasing. The roundness error of the holes is larger with a larger pulse energy. Use 50 pulses， each pulse energy is 20μJ， drilling， the hole roundness error is 8.2μm. With the laser focus position gradually moved from internal to external sample， the roundness error increases gradually. When focus distance is 0， use 500 pulses， each pulse energy is 20μJ， drilling， the hole roundness error is 5μm. The laws of femtosecond laser drilling holes explored in this paper have a certain reference value for practical application of micro-holes drilling.

【Key words】Laser technique； Femtosecond laser； Ti-Ni alloy； Micro-hole drilling； Roundness error

0 前言

在航空航天領(lǐng)域，燃?xì)鉁u輪的重要性居于發(fā)動(dòng)機(jī)三大關(guān)鍵部件之首，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞由燃?xì)鉁u輪直接決定。為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，渦輪前燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣撸瑴u輪葉片表面的冷卻問題日益受到重視。在冷卻技術(shù)領(lǐng)域，氣膜冷卻技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢和較強(qiáng)的應(yīng)用前景。使用氣膜冷卻技術(shù)的單個(gè)葉片需要加工數(shù)十至數(shù)百個(gè)氣膜孔，氣膜孔陣空間分布復(fù)雜，精度要求高。在高品質(zhì)微孔加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)加工方法有其固有的局限性，電火花腐蝕加工不能用于非導(dǎo)電材料；電化學(xué)方法打孔存在效率極低、材料局限性大的問題；機(jī)械鉆孔方法加工硬質(zhì)材料有難度大、成本高的問題，此外，加工的小孔深徑比較小。

飛秒激光具有脈寬超短、峰值功率極高、精確的燒蝕閾值等特點(diǎn)，可以順利加工眾多材料[1-2]。此外，突破衍射極限加工，加工熱影響區(qū)極小等特點(diǎn)使得飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的超精密加工[3-6]。飛秒激光在微孔加工領(lǐng)域有其獨(dú)有的優(yōu)勢。因此，短脈沖及超短脈沖激光將是未來加工渦輪葉片氣膜冷卻孔的不可替代的手段，研究Ti-Ni合金飛秒激光打孔的工藝參數(shù)小孔加工的影響規(guī)律具有重大意義。

本文在Ti-Ni合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ti：Ni為6：4）上進(jìn)行了飛秒激光燒蝕打孔實(shí)驗(yàn)研究。主要研究激光單脈沖能量、脈沖個(gè)數(shù)以及離焦量對(duì)Ti-Ni合金燒蝕加工的影響，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析獲得以下規(guī)律：隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔直徑只有略微增加；小孔直徑隨單脈沖能量的增加而增加；離焦量為0時(shí)，加工出的小孔直徑最小；離焦量從0向正或負(fù)方向偏移時(shí)，小孔直徑都隨之增加；隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔深度逐漸增加；單脈沖能量越大，小孔深度越大，使用3000個(gè)150μJ脈沖加工出的小孔深度最深，為60.2μm；隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，圓度誤差也相應(yīng)的增加；單脈沖能量越大，圓度誤差也越大；隨著激光焦點(diǎn)位置從樣品內(nèi)部逐漸移動(dòng)到樣品外部，圓度誤差逐漸增大。在實(shí)驗(yàn)上探索了獲得高質(zhì)量孔所需的條件，本研究可為飛秒激光加工氣膜冷卻孔的應(yīng)用提供指導(dǎo)性的工藝方法和參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

飛秒激光打孔加工系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中包括：飛秒激光器、光閘、光闌、連續(xù)型衰減片、X-Y-Z三維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。飛秒激光輸出的激光波長為800nm，脈沖寬度為120fs，重復(fù)頻率為1KHz，由美國光譜物理公司（Spectra Physics）生產(chǎn)。光閘用于控制脈沖個(gè)數(shù)，精度達(dá)到1ms以上。光闌孔徑為8mm，主要作用是在空間上進(jìn)行光波過濾，選取光斑中心能量均勻的部分通過光闌，而將光斑邊緣不均勻的部分濾掉。激光單脈沖能量由連續(xù)型衰減片進(jìn)行衰減，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，對(duì)激光的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。聚焦透鏡選用長焦距聚焦透鏡，焦距為200mm。X-Y-Z三維位移平臺(tái)是NEWPORT公司所生產(chǎn)的。

本實(shí)驗(yàn)采用的材料為Ti-Ni合金，樣品規(guī)格為的金屬片。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，樣品被浸泡在丙酮溶液中超聲清洗10min，以確保其表面潔凈，避免樣品表面的雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。加工完成后，樣品再次使用丙酮溶液超聲波清洗20min，小孔孔徑和圓度使用掃描電鏡測量獲得，小孔孔深使用共聚焦顯微鏡測量獲得。

本實(shí)驗(yàn)選用最小區(qū)域法來評(píng)定圓度誤差，如圖2的微孔所示，用繪圖軟件擬合出微孔的實(shí)際輪廓，同時(shí)作出兩個(gè)同心圓包容該輪廓，此時(shí)每個(gè)同心圓都必須有至少兩點(diǎn)與實(shí)際輪廓接觸，則這兩個(gè)同心圓之間的區(qū)域即為最小包容區(qū)域，兩個(gè)同心圓的半徑差即為圓度誤差值，圓度誤差越小，實(shí)際孔型越圓。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用不同單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)的飛秒激光在樣品上多脈沖打孔，掃描電子顯微鏡測得的不同參數(shù)條件下的微孔形貌如圖3所示。從圖中可以看出，單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)都較小時(shí)，樣品上只出現(xiàn)小孔的輪廓，小孔中心出現(xiàn)熔融物質(zhì)；隨著單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔輪廓變得清晰，小孔的直徑和深度逐漸增加，小孔邊緣出現(xiàn)隆起。

脈沖個(gè)數(shù)對(duì)小孔孔徑的影響如圖4所示。選取單脈沖能量分別為20、250、600μJ，脈沖個(gè)數(shù)分別為50、150、500、1000、3000個(gè)的3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，激光焦點(diǎn)位于樣品表面。50個(gè)20μJ脈沖加工出的小孔直徑最小，為47.2μm。隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔直徑只有略微增加；單脈沖能量越大，小孔直徑越大。

離焦量對(duì)小孔孔徑影響如圖5所示?！?/+”表示激光焦點(diǎn)位于樣品內(nèi)部/外部。選取500、1000、3000脈沖數(shù)，離焦量為-150、-100、-50、0、50、100、150的3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，單脈沖能量均為20μJ。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，離焦量為0時(shí)，加工出的小孔直徑最小，500脈沖加工出的小孔直徑為48μm；離焦量從0向正或負(fù)方向偏移時(shí)，小孔直徑都隨之增加。

脈沖個(gè)數(shù)對(duì)小孔深度的影響如圖6所示。隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔深度逐漸增加；單脈沖能量越大，小孔深度越大，使用3000個(gè)150μJ脈沖加工出的小孔深度最深，為60.2μm。

脈沖數(shù)對(duì)圓度誤差的影響結(jié)果如圖7所示。使用50個(gè)20μJ單脈沖能量脈沖加工，小孔圓度誤差為8.2μm。根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，圓度誤差也相應(yīng)的增加；在脈沖數(shù)超過1000個(gè)時(shí)，圓度誤差緩慢增加，有趨于穩(wěn)定的趨勢。單脈沖能量越大，圓度誤差也越大。飛秒激光在聚焦過程中會(huì)發(fā)生衍射，超短的脈沖寬度導(dǎo)致非線性效應(yīng)的發(fā)生，最終導(dǎo)致聚焦光斑能量密度與理想的高斯分布產(chǎn)生差異。從圖3中脈沖打孔的形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象的存在。脈沖數(shù)較少時(shí)，材料燒燭閾值相對(duì)較高，遠(yuǎn)離聚焦光斑中心的能量密度較弱，不足以去除材料，從而微孔圓度較好；當(dāng)脈沖數(shù)逐漸增加，由于累積效應(yīng)的存在，遠(yuǎn)離聚焦光斑中心處的能量密度依然能達(dá)到材料燒燭閾值并去除材料，微孔邊緣變得越來越不規(guī)則，從而微孔的圓度明顯變差。

離焦量對(duì)小孔圓度的影響如圖8所示。從圖中可以看出：離焦量為0時(shí)，500個(gè)20μJ單脈沖能量的脈沖加工，小孔圓度誤差為5μm；隨著激光焦點(diǎn)位置從樣品內(nèi)部逐漸移動(dòng)到樣品外部，圓度誤差逐漸增大；焦點(diǎn)位置位于樣品內(nèi)部時(shí)，小孔圓度較好；焦點(diǎn)位置位于樣品外部時(shí)，小孔圓度較差。其原因在于，焦點(diǎn)在樣品外部時(shí)，光束在達(dá)到加工位置之前就已經(jīng)聚焦，周圍的空氣被電離，影響到激光能量密度的分布，導(dǎo)致小孔圓度較差；而焦點(diǎn)位置位于樣品內(nèi)部時(shí)，則沒有這樣的情況發(fā)生，因而小孔圓度較好。

3 結(jié)論

隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔直徑只有略微增加；單脈沖能量越大，小孔直徑越大；離焦量從0向正或負(fù)方向偏移時(shí)，小孔直徑都隨之增加，為了獲得大直徑小孔，可以提高單脈沖能量或者使用負(fù)離焦方式加工，而增加脈沖個(gè)數(shù)不是個(gè)有效率的方法；隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，小孔深度逐漸增加；單脈沖能量越大，小孔深度越大，為了增加小孔的深度，可以增加脈沖個(gè)數(shù)或者提高單脈沖能量；隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，圓度誤差也相應(yīng)的增加；單脈沖能量越大，圓度誤差也越大；隨著激光焦點(diǎn)位置從樣品內(nèi)部逐漸移動(dòng)到樣品外部，圓度誤差逐漸增大，為了獲得高圓度的小孔，可以適當(dāng)降低脈沖個(gè)數(shù)和單脈沖能量，采用適當(dāng)?shù)呢?fù)離焦方式加工也是一種行之有效的方法。其他加工條件，比如氣壓，加工環(huán)境，激光偏振態(tài)等是否對(duì)小孔圓度具有明確的影響規(guī)律，則需要進(jìn)一步探索和研究。

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[責(zé)任編輯：王楠]