镍基超合金激光打孔再铸层及其控制研究进展

综述了镍基超合金激光打孔再铸层的危害．介绍了在控制再铸层方面的研究进展。     

激光打孔脉冲波形探讨

研究了打孔激光脉冲与材料的相互作用，提出一种新的深孔加工激光脉冲波形，更符合打孔过程向加工区输入能量的规律性，比常规波形脉冲更有利于打孔加工。     

复合脉冲深度激光打孔的实验研究

为了进一步提高激光在金属厚板上深度打孔的速率,针对5mm厚不锈钢板,采用高峰值功率短脉冲串叠加大能量长脉冲的双光束复合激光打孔方法,建立了复合脉冲激光打孔的理论模型,提出大能量长脉冲激光束的主要作用是熔化金属,排出金属熔融物主要靠高峰值功率密度的激光脉冲串,并研究了脉冲能量、脉冲宽度、打孔方式等不同激光参量下的激光打孔效果。结果表明,与长脉冲激光单独激光打孔相比,复合脉冲激光打孔能大幅减小穿孔时间,对脉宽2ms、单脉冲能量2.9J的长脉冲,复合脉冲打孔速率提高2.3倍,所需能量减少20%,且脉冲能量越大,脉冲宽度越窄,打孔速率越快。此研究为复合脉冲打孔的激光器选择提供了依据。     

激光打孔

本文叙述了激光打孔的机理,常用激光打孔的方式和设备,以及影响激光打孔的主要因素。     

镍基超合金的Nd-YAG激光熔敷涂层行为研究

对ЖС6y、К24、К17三种镍基超合金的几种材料的Nd—YAG激光熔敷涂层行为进行了试验研究,并与三种超合金激光重熔行为进行了对比。研究表明,三种镍基超合金的重熔性都很差,热裂纹敏感性高,重熔区出现很多凝固裂纹。几种粉末涂层行为不尽相同,但对超合金基材的裂纹敏感性都有程度不同的改善,大大减少甚至抑制了基村上裂纹的产生,并在其与基材的界面处形成一白亮的熔合区,达到冶金结合。采用某几种钴基合金和镍基合金粉末,可在某种超合金基材上获得高质量无裂纹涂层。     

陶瓷激光精密打孔工艺研究

用脉冲Nd:YAG激光对氧化铝（Al2O3)陶瓷基片进行了激光打孔试验,分析了激光能量、激光脉宽、脉冲频率、离焦量等工艺参数对成孔质量的影响。     

脉冲激光打孔声波产生机理研究

为了研究激光打孔过程中声波信号产生机理。利用电容传声器、PVDF传感器分别测量了激光打孔过程中的声波型号与冲击波信号,比较并分析了氧气为辅助气体、无辅助气体时声波信号的异同。研究结果表明:激光作用于孔内材料诱导产生的等离子体冲击波是激光打孔过程中产生声波的主要原因;辅助气体不是产生声波信号的必要条件;氧气作为辅助气时起到两方面作用:一方面,气流的物理作用减弱材料蒸汽和等离子对激光的屏蔽效应,维持较为连续的声波信号输出;另一方面,氧气的化学作用会增强材料蒸汽和等离子的屏蔽效应。氧气的物理作用与化学作用交替进行产生了不连续的声波信号。     

压电陶瓷的Nd:YAG准脉冲激光打孔研究

由于陶瓷材料硬而脆的特笥使其难以加工，对于形状复杂的陶瓷聚合物复合材料更是如此。根据3-1压电复合材料的结构特征和激光加工的特点，文章以声光调QNd:YAG准脉冲激光器为工具研究了两种压电陶瓷钻孔的最佳条件及激光器参数对孔结构的影响，提出了一种简便的制备3-1压电复合材料的方法。实验表明，孔尺寸主要由激光功率决定，而孔的截面形状主要由光束入焦情况决定。通过调节激光参数，易制得直径φ0.15mm，长径比大于10的微孔。     

脉冲Nd:YAG激光对薄层聚氨酯材料打孔

激光打孔是一种精度高、操作简便的材料表面修饰物理手段.以往研究曾使用准分子和飞秒级钛宝石激光器作为打孔光源.为了验证脉冲Nd:YAG激光器对组织工程材料打孔的效果,掌握不同激光光束特性和能量的成孔规律,对组织工程薄层生物材料激光打孔进行了实验研究.选用能量输出范围为0.01～1 J的脉冲Nd:YAG激光器和厚约50 μm的片状聚氨酯材料(PU)进行打孔.改变激光输出能量、脉冲宽度、光阑孔径和光斑模式,用显微镜观察不同条件的穿孔形态.当Nd:YAG激光器脉冲宽度为30 μs,入射能量密度为0.6×104～2.1×104J/cm2时可击穿厚为50μm的PU材料,成孔直径在20～90μm之间,且低阶模光束成孔边缘光滑,对周围材料影响小.低阶模的穿孔直径为20～40μm,高阶模的穿孔直径为60～90μm.实验结果表明脉冲Nd:YAG激光器可以用作组织工程血管材料打孔.     

短脉冲激光微孔制备的双脉冲方法研究

为了提高纳秒短脉冲激光微孔制备的加工效率,采用了一种新颖的双脉冲方法。通过时域脉冲塑形将调Q激光器产生的普通纳秒脉冲变换为具有几十纳秒脉冲时间间隔的双脉冲序列。使用这种双脉冲序列对不锈钢试件进行打孔实验,与传统单脉冲打孔结果对比发现,在一定条件下双脉冲序列能将打孔烧蚀率提高一个数量级以上。实验中研究了脉冲能量、重复频率以及环境气体压力对双脉冲序列烧蚀率的影响,并将脉冲烧蚀率提高的原因归结为材料预加热、材料溶液的加速以及瞬时准真空环境,对各种机制分别进行了讨论。结果表明,采用双脉冲方法替代普通单脉冲进行金属打孔,可以在相同能量密度,相同脉冲重复频率的情况下大幅度提高脉冲烧蚀率,为高效激光微孔制备提供了新方法。     

晶体硅片上激光打孔的研究

背面接触太阳电池越来越多地被人们关注,这种电池增加了使用激光器在硅片上打孔工艺。选用了半导体激光器作为光源在晶体硅片上进行打孔实验。通过调节激光器的功率、离焦量、脉冲重复频率等参数并分析其对打孔的影响。在激光打孔后,对硅片使用显微镜测试来分析打孔大小、形貌和损伤区,并优化打孔的参数。通过实验证实孔的入孔直径和出孔直径都随激光能量的增大而增大。随着离焦量的增大,出孔直径先增大后减小,且出孔直径越大时孔附近的破坏区域越小。脉冲重复频率的变化由于影响激光能量而影响孔径。另外,脉冲重复频率过大时,激光能量仍然比较大,但却打不穿硅片。     

辅助气体对激光打孔的影响

辅助气体是影响激光打孔质量的一个重要因素,本文通过实验分析了辅助气体类型、气压对不同的材料激光打孔的孔径和孔臂粘滞物吹除的影响,提出了激光打孔中有效利用气压的概念,指出可采用直径非上的孔来产生很强的气流以提高有效利用气压,并利用激光打孔后作为喷嘴,获得了重复率高、倾斜度小和工件表面干净的激光打孔。     

离焦量对空气中纳秒激光打孔效率的影响

用波长1.06μm,脉冲半峰全宽(FWHM)约10 ns的Nd∶YAG激光照射在薄铜靶上,研究了打孔效率同离焦量之间的关系。实验中脉冲能量分别为26 mJ,52 mJ,85 mJ,204 mJ和274 mJ,在各脉冲能量下,改变离焦量,测出相应的打孔效率。结果表明,离焦量是影响打孔效率的重要因素;实际打孔过程中,采用较低的激光功率密度和 3~ 4 mm的离焦量是合理的选择。当离焦量d<0时,打孔效率主要由激光照射产生的热烧蚀、等离子体屏蔽两个物理机制决定;当离焦量d>0时,打孔效率是激光照射产生的热烧蚀、等离子体屏蔽和焦斑处空气等离子体辐射的促吸收效应共同作用的结果。     

GH4037镍基高温合金激光打孔相变过程数值模拟

为了更准确地研究激光打孔相变过程,基于流体传热和流体力学理论,建立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型。模型中考虑了重力、粘滞力、反冲压力的作用,以及材料的固-液相变和液-气相变过程,通过数值计算得到了激光打孔相变过程的温度场和速度场。结果表明,气化材料的反冲压力可以加快熔池的流动,在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时,材料最大气化蒸发速率可以达到250m/s。该模型为进一步开展激光打孔研究提供了理论基础。     

提高激光打孔精度的研究

为提高激光脉冲输出能量的重复精度，在电源设计中采用了予电离电路和提高充电精度的控制电路。在光学系统中采用了使照明光源成像在投射系统入瞳上的临界照明方式。同时，观察目镜设计成放大率为9倍的内调焦望远镜，使试样的观察表面处于打孔透镜的焦平面位置。试验表明：