飞秒激光加工功率对热障涂层微观组织的影响

针对飞秒激光加工镍基高温合金叶片气膜孔时,功率对气膜孔内壁质量影响的问题进行了研究。利用EBSD表征技术,研究了制备功率为4、10和16 W的气膜孔截面的微观组织结构。结果表明:经飞秒激光处理后,热障涂层气膜边界区域的晶体结构发生明显变化;不同功率的飞秒激光对陶瓷涂层结构的影响范围存在差异,因此制备的气膜孔边界质量也存在较大差异,其中功率为10 W的飞秒激光制备的气膜孔边界质量最佳。本研究结果对于指导飞秒激光加工工艺对材料微观组织影响具有重要意义。     

ZrO_2陶瓷与Kovar合金钎焊接头的组织与性能

在钎焊温度825~960℃,保温时间1~60 min的条件下,采用自行设计制备的Ag-Cu-TiH2活性粉末钎料实现了ZrO2陶瓷和4J33 Kovar合金的钎焊.利用扫描电镜、能谱分析及X射线衍射分析的方法对接头的界面组织进行了分析.结果表明,接头典型界面结构为Kovar/Ag（s.s）＋Cu（s.s）＋TiFe2/...     

Si3N4/AgCu/TiAl钎焊接头界面结构及性能

采用AgCu非活性钎料实现了Si3N4陶瓷与TiAl基合金的钎焊,确定接头的典型界面组织结构为:TiAl/Ti3Al+Ti(s,s)/AlCuTi/Ag(s,s)+AlCu2Ti/Ti5Si3+TiN/Si3N4陶瓷。钎焊过程中,活性元素Ti从TiAl母材溶解到钎料中与Si3N4陶瓷发生反应润湿,实现了TiAl与Si3N4陶瓷的连接。随着钎焊温度的升高及保温时间的延长,靠近Si3N4陶瓷的TiN反应层厚度增加,Ag基固溶体中弥散分布的AlCu2Ti化合物聚集长大成块状,导致接头性能下降。当钎焊温度T=860℃,保温时间为5min时接头抗剪强度达到最大值124.6MPa。基于反应热力学及动力学计算TiN层反应激活能Q约为528.7kJ/mol,860℃时该层的成长系数KP=2.7×10-7m/s1/2。     

采用BNi-2钎料真空钎焊0Cr18Ni9不锈钢管材

针对实际应用中常需要获得异型接头这一目的,采用BNi82CrSiB(BNi-2)钎料钎焊套接0Cr18Ni9不锈钢管材,研究了冷却方式、钎焊温度、保温时间和装配间隙对接头组织结构和力学性能的影响.结果表明:管材套接的特殊结构,填缝间隙对接头影响较大,当间隙过小为5~10μm时,易出现填缝不足导致无法形成完整接头,接头强度下降;但间隙过大为250~300μm,钎缝中形成大量脆性相并产生微裂纹;冷却方式对组织影响较小,但15℃/min的冷却速度所得接头强度较低;钎焊温度升高或保温时间延长,最大间隙值增大,母材出现溶蚀,性能影响较小.钎焊温度为1 050℃,保温时间为10 min,装配间隙为20~50μm,随炉冷却所得钎焊接头显微组织结构中未出现共晶组织和金属间化合物,接头性能最高.     

供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化

航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标,其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主,存在较厚的重铸层,且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法,具有加工效率高、质量好,重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求,采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺,针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段,研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段,之后根据模拟所获得的理论结果,通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现,出入口孔径是决定流量大小最重要的因素,在单脉冲能量140μJ,单层扫描时间1 200 ms,单层进给量0.02 mm,重复频率100 kHz,旋转速度2 400 r/min的工艺下,将孔径偏差控制在±5μm以内,最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。     

GH3230高温合金绿光飞秒激光的刻蚀特性

飞秒激光以其超窄脉宽和超高光强等特性被广泛应用于各种金属材料的加工。本课题组采用波长为515 nm的绿光飞秒激光器对GH3230镍基高温合金进行刻蚀试验，研究了GH3230高温合金的绿光飞秒激光刻蚀阈值、刻蚀率和极限刻蚀深度。结果表明：相比于红外飞秒激光，绿光飞秒激光的刻蚀阈值明显降低，刻蚀率显著提高；与红外飞秒激光刻蚀类似，随着刻蚀次数增加，刻蚀深度增大，但当刻蚀次数增加到一定值后，刻蚀深度出现饱和现象；激光能量密度越高，极限刻蚀深度越大；改变扫描策略进行双道刻蚀时，通过增加刻缝宽度可以增大刻蚀深度；激光诱导等离子体是影响刻蚀深度的主要因素。     

飞秒激光加工气膜孔的热障涂层表面残余应力研究

针对飞秒激光打孔后孔周热障涂层残余应力演化问题，采用cosα法对不同飞秒激光工艺制备的气膜冷却孔周围残余应力进行步进式逐点测量，结果表明，喷涂态热障涂层和激光打孔后气膜孔周围的涂层表面应力皆是以淬火应力主导的残余拉应力；不同飞秒激光加工工艺、不同的孔尺寸下，气膜孔周围都存在一个明显的径向残余应力影响区，且在该影响区内残余应力呈线性递减；由于飞秒激光热效应形成的飞溅物的影响，不同工艺制备的气膜孔周围径向残余应力场无明显差别，改变气膜孔直径无法改善这种热效应。     

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势，可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此，本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式，系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明，离焦量对入口孔径的影响最为明显；对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整，本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390μm的通孔，出口入口孔径误差小于0.6μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整，有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm，满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良，随激光脉冲重复频率增加，孔壁附近组织逐渐粗化，但均无明显重铸层或热影响区，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。