熱障涂層水助激光掃描加工試驗(yàn)

王斌，王海濤，王玉峰，張文武

1. 中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所 先進(jìn)制造技術(shù)研究所，寧波 315201 2. 浙江省航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端制造技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315201 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100049

提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端工作溫度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能量效率和推重比。但是，隨著渦輪前溫度的提升，系統(tǒng)對(duì)熱端部件承受高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等極端服役條件的要求越來(lái)越高。以推重比大于12的航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，渦輪前進(jìn)口溫度已經(jīng)接近2 000 K，這就需要同時(shí)應(yīng)用熱障涂層技術(shù)、高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)和高效氣膜冷卻技術(shù)等3大關(guān)鍵技術(shù)。

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings, TBCs)技術(shù)是將陶瓷材料以涂層的方式涂覆在合金表面，起到隔熱作用，降低在高溫環(huán)境下服役的合金表面溫度，從而提高部件耐久性，延長(zhǎng)使用壽命。熱障涂層目前廣泛采用雙層結(jié)構(gòu)，頂層是起到隔熱防護(hù)作用的陶瓷層，常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)。中間為連接陶瓷層與金屬基底的金屬粘結(jié)過(guò)渡層(Bond Coat, BC)，多采用MCrAlY(M可為Ni或者Co)。目前制備熱障涂層的技術(shù)較為成熟的主要有大氣等離子噴涂(Air Plasma Spray, APS)和電子束物理氣相沉積(Electron Beam Physical Vapor Deposition, EB-PVD)。其中EB-PVD工藝是單晶基體制備熱障涂層采用的主流工藝，也被國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所采用。

目前一般使用脈沖激光、電火花和電解液等加工方法來(lái)制備氣膜孔，但由于電加工和電解加工無(wú)法穿越非導(dǎo)電的熱障陶瓷層，因此需要采用“先打孔后涂層”的分步加工工藝，這會(huì)導(dǎo)致氣膜孔的縮孔以及堵塞等問(wèn)題，必需配合繁雜的后續(xù)檢測(cè)和二次擴(kuò)孔工序，容易對(duì)孔周邊涂層的完整性造成不可預(yù)測(cè)的損傷。而激光加工可以實(shí)現(xiàn)陶瓷層的加工，因此可以選用工藝更簡(jiǎn)單的“先涂層后打孔”的技術(shù)路線，一次裝卡直接穿越熱障涂層和高溫合金完成多層材料的打孔，省去了噴砂和噴丸等工序后要進(jìn)行孔徑檢查的繁瑣程序，但必需嚴(yán)格控制高溫合金激光加工產(chǎn)生的熱影響和重鑄層缺陷。另外由于高溫合金和熱障涂層的導(dǎo)電性、光吸收性、熱膨脹系數(shù)、韌性等特性的較大差異，在這種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)上進(jìn)行氣膜孔激光加工面臨著涂層破落和孔壁裂紋等問(wèn)題。例如孫瑞峰等采用皮秒激光在帶熱障涂層的鎳基單晶合金上加工氣膜孔，發(fā)現(xiàn)皮秒激光加工中產(chǎn)生的等離子體沖擊力會(huì)引起涂層的開(kāi)裂。張學(xué)謙等采用飛秒激光旋切帶熱障涂層的高溫合金加工氣膜孔，發(fā)現(xiàn)在孔的入口會(huì)粘附黑色附著物，并且隨著加工次數(shù)的增加，逐步覆蓋整個(gè)入口邊緣部分。

水助激光加工和超快激光加工等技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)帶熱障涂層高溫合金材料高精度、熱影響區(qū)小、無(wú)重鑄層、無(wú)微裂紋的小孔加工。美國(guó)GE公司已在生產(chǎn)線上將SYNOVA的水導(dǎo)激光加工技術(shù)應(yīng)用于帶TBC熱端部件通孔加工，加工的圓孔或異型孔陶瓷涂層無(wú)裂紋或分層，高溫合金重鑄層極小。中國(guó)航空制造技術(shù)研究院的蔡敏等采用超快激光在帶熱障涂層高溫合金上加工出孔邊緣涂層和高溫合金位置處均不存在開(kāi)裂和再鑄層的45°斜孔。西安光學(xué)精密機(jī)械研究所賀斌等采用飛秒激光旋切帶熱障涂層葉片加工氣膜孔，通過(guò)將光束進(jìn)行螺旋掃描可以獲得無(wú)涂層剝落、無(wú)裂紋、表面無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)重鑄層的孔加工。但部分學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超快激光并不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義上的“冷加工”。例如，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Foehl和Dausinger在研究中發(fā)現(xiàn)，單純降低脈寬到皮秒乃至飛秒級(jí)別，在實(shí)際加工過(guò)程中仍難以有效防止重鑄層的產(chǎn)生，并且可能出現(xiàn)由偏振導(dǎo)致的孔形狀變形等問(wèn)題。劉新靈等指出在用飛秒激光加工定向凝固高溫合金和單晶高溫合金時(shí)，仍有重鑄層、微裂紋存在，孔壁上存在棱狀的加工痕跡。另外超快激光加工效率一般遠(yuǎn)低于短脈沖激光加工，尤其是大深徑比的孔加工。

水助激光掃描加工技術(shù)是水助激光加工技術(shù)的一種，其創(chuàng)新引入掃描振鏡，利用掃描振鏡改變激光路徑實(shí)現(xiàn)高速掃描加工，有助于降低熱影響、提高加工效率，特別適合異型孔的加工，但目前采用水助激光掃描加工技術(shù)在帶TBC的高溫合金渦輪葉片上制備氣膜孔尚未見(jiàn)報(bào)道，水助激光對(duì)TBC材料的損傷形式和機(jī)理尚不明晰，加工質(zhì)量和加工效率的影響因素尚不明確。本文采用正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)重點(diǎn)考察水泵電壓、激光重復(fù)頻率、激光器電流、光斑重疊率等主要加工工藝參數(shù)對(duì)TBC損傷及材料去除率的影響關(guān)系，尋找加工損傷最小、去除效率最高的工藝參數(shù)組合，以期為后續(xù)帶TBC單晶高溫合金渦輪葉片氣膜孔水助激光制備提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)采用如圖1所示的水助激光掃描加工裝置對(duì)涂層進(jìn)行加工。該裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其主要由激光器、掃描振鏡系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和水助激光加工頭等組成。其中激光束在掃描振鏡的控制下，可以在水束直徑范圍內(nèi)作形狀復(fù)雜的快速掃描加工。試驗(yàn)采用的水助激光加工頭噴嘴大小為2 mm，形成的水束直徑約2 mm。

由于波長(zhǎng)范圍約為500 nm的綠光激光在水中的能量衰減最低，因此本文采用波長(zhǎng)為532 nm的綠光納秒激光器。激光重復(fù)頻率0～50 kHz可調(diào)，激光器電流20～38 A可調(diào)。實(shí)際單脈沖能量為0.99 mJ@15 kHz，脈沖寬度為10.9 ns@15 kHz，實(shí)際平均功率為32.12 W@50 kHz。表1列出了激光器電流為38 A時(shí)的幾個(gè)典型參數(shù)。

試驗(yàn)中使用帶熱障涂層的高溫合金圓片試件，試樣尺寸為?15 mm×2 mm，其中基體材料為DD6單晶高溫合金，表面采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)方法制備的熱障涂層，其中YSZ陶瓷層厚度約70 μm，HY5粘結(jié)層厚度約30 μm。HY5粘結(jié)層為多弧離子鍍制備，由細(xì)小液滴和涂層材料的離子沉積形成，晶粒細(xì)小，存在大量非平衡態(tài)非晶組織，在經(jīng)過(guò)870 ℃熱處理后，元素?cái)U(kuò)散形成了平衡態(tài)組織結(jié)構(gòu)，粘結(jié)層主要由γ′-NiAl相和β-NiAl相組成。

圖1 水助激光掃描加工試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.1 Picture of water-assisted laser scanning machining test device

圖2 水助激光掃描加工裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of water-assisted laser scanning machining device

表1 激光器在電流為38 A時(shí)的幾個(gè)典型參數(shù)Table 1 Several typical parameters of laser at current 38 A

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用“高速掃描、逐層去除”的激光加工方法，激光的掃描路徑由EZCAD掃描振鏡軟件控制，掃描路徑為“十字填充再繞圓邊走一圈”，如圖3所示。

圖3 掃描填充孔加工方法Fig.3 Scanning filling processing method

激光光斑與光斑之間會(huì)有一定的重疊，重疊的程度用重疊率來(lái)表示，重疊率與激光掃描速度、激光脈沖頻率、光斑大小有關(guān)。光斑重疊率的計(jì)算公式為

(1)

式中：為光斑重疊率；Δ為光斑之間的重疊距離，m；為激光掃描速度，m/s；為光斑直徑，m；為激光重復(fù)頻率，Hz。

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出激光掃描速度的計(jì)算公式：

=(1-)

(2)

根據(jù)已知的重疊率、激光重復(fù)頻率和激光光斑大小，可以計(jì)算出激光掃描速度。

如圖4所示，在TBC上加工直徑為0.4 mm的圓孔盲孔，填充間距固定為0.02 mm，并采用涂層剝落損傷的最大范圍與加工目標(biāo)孔徑的比值來(lái)衡量涂層損傷的程度，即

=

(3)

圖4 TBC涂層剝落損傷程度評(píng)價(jià)Fig.4 Evaluation of TBC coating damage degree

在進(jìn)行水助激光對(duì)TBC材料去除率試驗(yàn)時(shí)，采用水助激光按“十字填充再繞正方形邊走一圈”的掃描路徑在TBC涂層上逐層去除0.4 mm×0.4 mm大小的正方體，填充間距固定為0.02 mm。以單位時(shí)間內(nèi)激光去除的TBC涂層體積表示材料去除率(Material Remove Rate, MRR)，材料去除率越大，該參數(shù)下水助激光加工效率越高，計(jì)算公式為

(4)

式中：MRR為材料去除率，mm/s；為激光去除的涂層體積，mm；為激光去除的涂層面積，mm；為激光去除的涂層深度，m；為激光加工的時(shí)間，s。

采用日本Keyence公司生產(chǎn)的共聚焦顯微鏡VK-X200K對(duì)涂層剝落損傷的最大范圍和形貌進(jìn)行觀測(cè)及確定。由于加工后TBC孔邊緣區(qū)域會(huì)有約十幾μm的圓角，所以一般當(dāng)比值達(dá)到1.08以下時(shí)，TBC基本上已經(jīng)沒(méi)有剝落。

水助激光加工的參數(shù)眾多，主要有激光重復(fù)頻率、光斑重疊率、激光器電流、水泵電壓及加工時(shí)間等。其中在水助激光加工頭噴嘴直徑一定的情況下，水射流增壓泵的水泵電壓決定了水射流流速大小?？梢圆捎脽兔氡順?biāo)定一定體積的水從激光加工頭噴嘴噴射出來(lái)所需要的時(shí)間來(lái)計(jì)算得到水射流的流速，計(jì)算公式為

(5)

式中：為噴嘴處水射流流速；為標(biāo)定的水的體積；為噴嘴出口直徑；為達(dá)到一定體積的水所需要的時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱障涂層剝落損傷過(guò)程及損傷機(jī)理分析

采用納秒水助激光加工時(shí)功率密度達(dá)到了10W/cm以上，因此熱障涂層主要是以材料氣化分解的方式被去除。這樣當(dāng)熱障涂層未被打穿時(shí)，水助激光精確地逐層深入去除TBC；當(dāng)熱障涂層局部部位被完全去除露出DD6高溫合金基體時(shí)，涂層開(kāi)始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水助激光加工高溫合金時(shí)，聲音遠(yuǎn)大于水助激光加工熱障涂層時(shí)；隨著高溫合金露出的范圍逐步擴(kuò)大，熱障涂層剝落的程度也進(jìn)一步變大，整個(gè)過(guò)程如圖5所示。

圖5 熱障涂層剝落發(fā)展過(guò)程Fig.5 Development process of TBC spalling

由于熱障涂層和DD6單晶高溫合金的熱膨脹系數(shù)差異很大，當(dāng)激光光斑作用到DD6高溫合金時(shí)，作用區(qū)域金屬迅速地升溫并膨脹，當(dāng)激光光斑離開(kāi)這一區(qū)域時(shí)，金屬又被水射流快速地冷卻，這一升溫又快速冷卻的過(guò)程會(huì)形成熱應(yīng)力，從而引起熱障涂層的剝落。另外通過(guò)試驗(yàn)時(shí)激光加工的聲音可以判斷，水助激光與DD6高溫合金相互作用產(chǎn)生等離子體的劇烈程度遠(yuǎn)大于水助激光與熱障涂層相互作用。水助激光與DD6高溫合金相互作用產(chǎn)生的等離子體膨脹會(huì)沖擊涂層，在這個(gè)沖擊力的作用下，涂層產(chǎn)生裂紋和剝落。因此水助激光加工帶TBC涂層的DD6單晶高溫合金樣件引起的涂層剝落的機(jī)制是熱應(yīng)力和等離子體膨脹力沖擊共同作用的結(jié)果。

2.2 TBC涂層剝落損傷影響因素分析

2.2.1 加工時(shí)間對(duì)TBC損傷程度的影響

固定激光重復(fù)頻率、光斑重疊率、激光器電流、水泵電壓等參數(shù)，分析加工時(shí)間對(duì)涂層剝落程度的影響規(guī)律。隨機(jī)變化激光重復(fù)頻率、光斑重疊率、激光器電流和水泵電壓的數(shù)值進(jìn)行多組試驗(yàn)，得到激光加工時(shí)間與涂層剝落損傷程度的曲線如圖6所示。其中激光重復(fù)頻率30 kHz、光斑重疊率80%、激光器電流32 A、水泵電壓12 V時(shí)，隨著加工時(shí)間的增加涂層損傷程度微觀形貌如圖7所示。

圖6 激光加工時(shí)間與TBC剝落損傷程度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between laser processing time and coating damage degree

從圖6可以看到在低激光重復(fù)頻率，低光斑重疊率的情況下，涂層損傷程度波動(dòng)較大，當(dāng)激光重復(fù)頻率和光斑重疊率較高時(shí)，涂層損傷程度基本與加工時(shí)間的關(guān)系不是很大，加工4 min與加工0.5 min涂層剝落程度基本沒(méi)有大的區(qū)別。從圖7上可以看到，隨著加工時(shí)間的增加，圓孔直徑和深度會(huì)逐漸增大，但TBC剝落的程度并沒(méi)有明顯改變。

圖7 隨著加工時(shí)間的增加TBC損傷的微觀形貌圖Fig.7 Micromorphology of TBC damage with increase of processing time

由此可以判斷，激光加工時(shí)間不是引起涂層剝落損傷的主要因素，因此后續(xù)在進(jìn)行DOE試驗(yàn)時(shí)可以不考慮加工時(shí)間這一因素。

2.2.2 涂層剝落損傷正交試驗(yàn)

為了降低TBC涂層剝落損傷程度，試驗(yàn)選取水泵電壓、激光重復(fù)頻率、激光器電流和光斑重疊率進(jìn)行4因素4水平的正交試驗(yàn)(見(jiàn)表2)，采用正交表L16(4)，總的試驗(yàn)次數(shù)為16次，如表3所示。

表2 涂層損傷程度因素水平表Table 2 Factor level table of coating damage degree

記錄各參數(shù)下TBC涂層剝落損傷程度值作為正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，得到的結(jié)果如表3所示。

采用SAS軟件對(duì)表3進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，其中為統(tǒng)計(jì)量值，等于因素的均方除以誤差的均方；值是衡量一個(gè)因素各水平差異大小的指標(biāo)，值越小表示該因素各水平間的差異越顯著。由于各因素的值均大于0.05，因此剔除最不顯著的因素A(水泵電壓)后再進(jìn)行方差分析，得到表5。各因素的值從小到大依次為因素D(光斑重疊率)、因素B(激光重復(fù)頻率)、因素C(激光器電流)，因此各因素顯著性程度由大到小依次為光斑重疊率、激光重復(fù)頻率、激光器電流和水泵電壓。其中因素D(光斑重疊率)的值為0.045 2，小于0.05，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響。因素B(激光重復(fù)頻率)的值為0.134 9，相對(duì)較小，是影響檢驗(yàn)結(jié)果的次要因素。因素C(激光器電流)和因素A(水泵電壓)則不顯著，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較小。

表3 涂層損傷程度正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of coating damage degree

表4 涂層損傷程度方差分析Table 4 Analysis of variance of coating damage degree

表5 涂層損傷程度方差分析(剔除因素A)

同時(shí)得到各因素對(duì)TBC損傷程度的主效應(yīng)曲線，如圖8所示。據(jù)此可以初步選擇TBC涂層剝落損傷的程度最小時(shí)各因素優(yōu)化組合為：光斑重疊率為98%、激光重復(fù)頻率為50 kHz、激光器電流為29 A、水泵電壓為14 V。

后續(xù)通過(guò)單因素試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證各因素對(duì)涂層剝落損傷這一指標(biāo)的影響關(guān)系。

2.2.3 光斑重疊率對(duì)TBC損傷程度的影響

固定水泵電壓為8 V，激光電流均為29 A，激光重復(fù)頻率分別選擇1、5、15、30、50 kHz，掃描次數(shù)分別設(shè)定為60、200、200、120、200次，考察光斑重疊率從50%～98%依次增加時(shí)，TBC剝落損傷程度的變化規(guī)律。

每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行3次取平均值，得到如圖9所示的試驗(yàn)結(jié)果。可以看到在各激光重復(fù)頻率下，隨著光斑重疊率的增加，TBC剝落損傷程度依次減小。其中當(dāng)激光重復(fù)頻率為50 kHz、激光器電流29 A、水泵電壓8 V、掃描加工200次時(shí)，TBC剝落損傷從重疊率50%時(shí)的=1.23降低到了重疊率98%時(shí)的=1.09，損傷程度減小了11.4%，此時(shí)TBC剝落損傷的微觀形貌如圖10所示?？梢院苊黠@地看到，隨著光斑重疊率的增加，TBC剝落損傷程度也大幅降低。這時(shí)由于光斑重疊率越高，水助激光和熱障涂層的作用區(qū)域溫度變化越緩慢，熱應(yīng)力減小，有助于減輕熱應(yīng)力導(dǎo)致的涂層剝落現(xiàn)象。

圖8 各因素對(duì)涂層損傷程度的主效應(yīng)曲線Fig.8 Main effect curves of each factor on coating damage degree

圖9 TBC損傷程度與光斑重疊率的關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves between TBC damage degree and spot overlap rate

圖10 隨著光斑重疊率變化TBC損傷的微觀形貌Fig.10 Micromorphology of TBC damage with change of spot overlap rate

2.2.4 激光重復(fù)頻率對(duì)TBC損傷程度的影響

固定水泵電壓為8 V，激光器電流為29 A，選擇光斑重疊率為50%、60%、70%、80%、90%以及98%，掃描加工1次，考察激光重復(fù)頻率從1～50 kHz依次增大時(shí)，TBC剝落損傷程度的變化規(guī)律。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行3次取平均值，得到如圖11所示的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖11可以看到，當(dāng)光斑重疊率為98%時(shí)，激光重復(fù)頻率從5 kHz增加到15 kHz時(shí)涂層剝落損傷程度增加；而當(dāng)光斑重疊率分別為50%、60%、70%、80%、90%時(shí)，隨著激光重復(fù)頻率從低到高變化，TBC損傷程度依次減輕。

圖11 TBC損傷程度與激光重復(fù)頻率的關(guān)系曲線Fig.11 Relation curves between TBC damage degree and laser frequency

當(dāng)光斑重疊率80%、激光器電流29 A、水泵電壓8 V時(shí)，隨著激光重復(fù)頻率從低到高變化，TBC剝落損傷的微觀形貌如圖12所示。從圖12可以看到，隨著激光重復(fù)頻率從低到高變化，TBC剝落損傷程度依次減輕。這是由于隨著激光重復(fù)頻率的增加，單脈沖能量逐漸減小并在50 kHz時(shí)單脈沖能量達(dá)到最小。單脈沖能量越小，激光與涂層作用部位溫度變化相對(duì)較小，有助于減輕涂層開(kāi)裂剝落的程度。

圖12 隨著激光重復(fù)頻率變化TBC損傷的微觀形貌Fig.12 Micromorphology of TBC damage with change of laser frequency

2.2.5 水泵電壓對(duì)TBC損傷程度的影響

隨機(jī)設(shè)定激光重復(fù)頻率5 kHz，激光器電流35 A，光斑重疊率90%；激光重復(fù)頻率15 kHz，激光器電流32 A，光斑重疊率80%；激光重復(fù)頻率50 kHz，激光器電流29 A，光斑重疊率98%，考察隨著水泵電壓的增加，TBC剝落損傷程度的變化規(guī)律。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行3次取平均值，得到TBC損傷程度與水泵電壓的關(guān)系曲線如圖13所示，TBC損傷微觀形貌如圖14所示。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光重復(fù)頻率和光斑重疊率較低時(shí)，TBC剝落損傷程度隨著水泵電壓的增加先增大后減小。當(dāng)激光重復(fù)頻率為50 kHz，光斑重疊率為98%時(shí)，改變水流速度，TBC損傷無(wú)明顯變化。這是由于激光重復(fù)頻率和光斑重疊率是影響TBC剝落損傷最主要的因素，當(dāng)這兩者參數(shù)選擇最優(yōu)時(shí)基本上已經(jīng)決定了TBC剝落損傷的嚴(yán)重程度。

從圖14可以看到，當(dāng)激光重復(fù)頻率50 kHz，激光器電流29 A，光斑重疊率98%時(shí)，隨著水泵電壓從8、10、12 V一直增加到14 V時(shí)，涂層剝落損傷微觀形貌沒(méi)有發(fā)生明顯變化，并且TBC邊緣尖銳、無(wú)剝落，和高溫合金的過(guò)渡區(qū)域沒(méi)有形成分層。

圖13 TBC損傷程度與水泵電壓的關(guān)系曲線Fig.13 Relation curves between TBC damage degree and pump voltage

圖14 隨著水泵電壓增加TBC損傷微觀形貌Fig.14 Micromorphology of TBC damage with increase of pump voltage

2.2.6 激光器電流對(duì)TBC損傷程度的影響

固定水泵電壓為8 V、光斑重疊率為80%，設(shè)定激光重復(fù)頻率分別為1、5、15、30、50 kHz時(shí)，考察隨著激光器電流變化時(shí)，TBC損傷程度的變化，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行3次取平均值。TBC剝落損傷程度的變化曲線和微觀形貌分別如圖15和圖16所示。

圖15 TBC損傷程度與激光器電流的關(guān)系曲線Fig.15 Relation curves between TBC damage degree and laser current

圖16 隨著激光器電流變化TBC損傷的微觀形貌Fig.16 Micromorphology of TBC damage with change of laser current

從圖15可以看到，當(dāng)激光重復(fù)頻率分別為1、5、15 kHz時(shí)，隨激光器電流的增加，TBC剝落損傷程度呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)；當(dāng)激光重復(fù)頻率為30 kHz時(shí)，隨著激光器電流的增加，TBC損傷程度依次增加；當(dāng)激光重復(fù)頻率為50 kHz時(shí)，隨著激光器電流的增加，TBC剝落損傷程度呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢(shì)，當(dāng)激光器電流為最大38 A時(shí)，TBC損傷范圍最小。

綜合正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)可以得到光斑重疊率和激光重復(fù)頻率是影響TBC剝落損傷的最主要因素。當(dāng)光斑重疊率為98%、激光重復(fù)頻率為50 kHz時(shí)，基本上已經(jīng)可以避免TBC水助激光加工出現(xiàn)剝落損傷，在這一參數(shù)下，激光器電流和水泵電壓再分別選擇為38 A和14 V時(shí)，TBC涂層剝落損傷最小。

2.3 涂層微觀形貌觀測(cè)

應(yīng)用試驗(yàn)獲得的最佳工藝參數(shù)，用水助激光在2 mm厚的帶TBC的DD6高溫合金樣件上加工直徑為0.5 mm的通孔，獲得的通孔截面形貌如圖17所示?？梢钥吹結(jié)SZ陶瓷層的厚度在70 μm左右，HY5粘接層的厚度在30 μm左右。通孔四周光滑，沒(méi)有熔渣堆積，小孔邊緣的涂層沒(méi)有產(chǎn)生崩塌、開(kāi)裂等缺陷，涂層厚度方向上也未觀察到橫向斷裂和缺損。

圖17 水助激光掃描加工的通孔截面形貌Fig.17 Cross-section morphology of through-hole processed by water-assisted laser scanning machining

對(duì)因水助激光加工工藝參數(shù)不佳TBC產(chǎn)生剝落時(shí)的表面和截面形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)涂層剝落邊界區(qū)域會(huì)產(chǎn)生孔洞，同時(shí)孔邊緣會(huì)形成臺(tái)階，臺(tái)階的尺度在70 μm左右，如圖18所示。結(jié)合圖17，可以發(fā)現(xiàn)涂層剝落的是YSZ陶瓷層，而HY5粘結(jié)層并未發(fā)生剝落，主要原因是HY5粘結(jié)層的物理性質(zhì)與高溫合金基體材料的性質(zhì)接近，HY5與高溫合金的粘結(jié)力強(qiáng)于HY5與YSZ陶瓷層的粘結(jié)力。

圖18 TBC產(chǎn)生剝落時(shí)的表面和截面形貌Fig.18 Surface and cross-section morphologies of TBC spalling

水助激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化后，TBC雖然不發(fā)生剝落以及崩邊，但是加工區(qū)域周邊的涂層顏色有變白的現(xiàn)象(圖16)，因此對(duì)這一區(qū)域的表面和截面形貌放大3 000倍進(jìn)行觀測(cè)，得到圖19。

圖19 TBC產(chǎn)生變色時(shí)的表面和截面形貌Fig.19 Surface and cross-section morphologies of TBC discoloration

可以發(fā)現(xiàn)，涂層變色區(qū)域范圍約為59.5 μm，這一區(qū)域內(nèi)涂層顆粒分界面變得模糊，同時(shí)涂層厚度上被去除了約2.7 μm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是水助激光加工產(chǎn)生的“氣泡空蝕”現(xiàn)象。當(dāng)高能激光作用于材料時(shí)，激光光斑處的水存在爆發(fā)沸騰現(xiàn)象，誘發(fā)蒸汽爆炸，同時(shí)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡周圍存在固體壁面時(shí)，在激光誘導(dǎo)壓力瞬變等因素作用下空泡潰滅，將會(huì)形成射向材料表面的瞬間壓強(qiáng)高達(dá)幾百M(fèi)Pa的高速射流，如圖20所示。根據(jù)氣泡半徑和距壁面的距離不同，噴射速度可到200 m/s，從而導(dǎo)致對(duì)涂層等硬質(zhì)材料的去除和損傷。

圖20 近壁面空泡潰滅形成高速射流示意圖[23]Fig.20 Schematic diagram of high-speed jet formed by near-wall cavitation collapse[23]

氣泡空蝕產(chǎn)生的射流沖擊壓力為

(6)

式中:、分別為水和涂層固體材料的聲學(xué)阻抗；為氣泡空蝕產(chǎn)生的射流流速。對(duì)于剛性壁面，有?，則式(6)可以簡(jiǎn)化為

=

(7)

另外，涂層剝落界面處產(chǎn)生的孔洞主要是由熔融物噴濺、氣泡空蝕以及激光散射所致。水助激光加工時(shí)由于水射流的冷卻作用，環(huán)境損失能量比空氣環(huán)境中更快，熔融物噴濺也就更容易出現(xiàn)，噴濺出的熔融物被流動(dòng)的水射流帶走就形成了孔洞。同時(shí)，水助激光加工也沒(méi)有出現(xiàn)常規(guī)空氣中激光加工TBC呈現(xiàn)的黑色殘?jiān)逊e現(xiàn)象，這主要是由于水中溶解氧含量濃度遠(yuǎn)低于空氣中，因此可以有效減少激光加工時(shí)形成的變質(zhì)層。

2.4 水助激光TBC加工效率正交試驗(yàn)

為了優(yōu)化TBC水助激光加工的材料去除效率，進(jìn)行4因素4水平的正交試驗(yàn)，選取正交表L16(4)，總的試驗(yàn)次數(shù)為16次，見(jiàn)表6。由于試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光斑重疊率為98%、激光器電流為38 A，激光重復(fù)頻率為50 kHz時(shí)，掃描加工1次即可將70 μm厚 YSZ陶瓷層打穿，導(dǎo)致難以判斷該參數(shù)下的實(shí)際去除量，因此光斑重疊率4個(gè)水平取為50%、70%、80%和90%。

記錄各參數(shù)下TBC涂層的去除深度、去除面積、加工時(shí)間，以此計(jì)算得到材料去除率數(shù)據(jù)作為正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，鑒于材料去除率的測(cè)算誤差較大，因此每組試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，得到的結(jié)果如表7所示。

采用SAS軟件對(duì)表7進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8所示，輸出結(jié)果的值為0.0481，小于0.05，試驗(yàn)結(jié)果顯著。

表6 材料去除率因素水平表Table 6 Factor level table of material removal rate

表7 材料去除率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Orthogonal test results of material removal rate

表8 材料去除率方差分析Table 8 Analysis of variance of material removal rate

各因素值從小到大依次為因素C(激光器電流)、因素B(激光重復(fù)頻率)、因素A(水泵電壓)和因素D(光斑重疊率)，因此，各因素對(duì)涂層材料去除率這個(gè)指標(biāo)影響的顯著性程度由大到小依次為激光器電流、激光重復(fù)頻率、水泵電壓和光斑重疊率。其中因素C(激光器電流)的值小于0.05，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有非常顯著的影響，是最主要的影響因素。因素B(激光重復(fù)頻率)的值為0.221 3，相對(duì)也較小，是影響指標(biāo)結(jié)果的次要因素。因素A(水泵電壓)和因素D(光斑重疊率)的值相對(duì)較大，不顯著，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響較小。

同時(shí)得到各因素對(duì)TBC涂層材料去除率的主效應(yīng)曲線，如圖21所示。根據(jù)趨勢(shì)曲線，當(dāng)優(yōu)選激光器電流38 A、激光重復(fù)頻率15 kHz、水泵電壓14 V以及光斑重疊率80%時(shí)，TBC材料去除率最高。

圖21 各因素對(duì)涂層材料去除率的主效應(yīng)曲線Fig.21 Main effect curves of each factor on material removal rate of coating

結(jié)合TBC水助激光加工損傷和材料去除率來(lái)看，由于涂層的厚度只有0.1 mm左右，水助激光加工這一部分厚度的涂層所占用的加工時(shí)間與加工整個(gè)氣膜孔所耗費(fèi)的時(shí)間相比占比很小，因此控制TBC加工質(zhì)量，避免涂層剝落損傷是最需要考慮的因素。

3 結(jié) 論

1) TBC水助激光加工剝落損傷的形成機(jī)理是熱應(yīng)力和等離子體力學(xué)沖擊共同作用的結(jié)果。

2) 光斑重疊率和激光重復(fù)頻率是影響水助激光加工TBC剝落損傷的最主要因素，各因素的顯著性程度由大到小依次為光斑重疊率、激光重復(fù)頻率、激光器電流和水泵電壓。當(dāng)光斑重疊率為98%、激光重復(fù)頻率為50 kHz、激光器電流為38 A和水泵電壓為14 V時(shí)，可以避免TBC水助激光加工出現(xiàn)剝落損傷。

3) 激光器電流是影響涂層材料去除率最主要的影響因素，各因素的顯著性程度由大到小依次為激光器電流、激光重復(fù)頻率、水泵電壓和光斑重疊率。當(dāng)優(yōu)選激光器電流38 A、激光重復(fù)頻率15 kHz、水泵電壓14 V、光斑重疊率80%時(shí)，TBC涂層材料去除率最大。

4) 水助激光加工產(chǎn)生的氣泡空蝕作用是導(dǎo)致加工區(qū)域周邊涂層顏色變白的主要原因，涂層變色范圍約為59.5 μm，同時(shí)涂層被空蝕去除約2.7 μm。