激光制备带热障涂层高温合金微孔工艺研究

孙建林,孙会来,岳端木,杨 雪

(天津工业大学机械工程学院,天津 300387)

1 引 言

涡轮机性能的提升关键在于提高热效率,这对材料的耐高温性有更高要求。然而在先进的航空涡轮机中,热气的温度通常都高于制备涡轮机的镍基高温合金的熔点。由于叶片材料耐高温能力有限,通常会在叶片上涂覆热阻隔涂层,结构上采用气膜冷却孔等方法降低涡轮机出口的高温[1-2],图1所示冷却孔结构[3],即将冷却介质汇入到主气流中,在主流的压力和摩擦力下粘附在壁面附近,形成温度较低的冷气膜,将涡轮机叶面同高温燃气体隔离开并带走大量热辐射,如图2所示[4]。所以,燃气涡轮机气膜冷却孔的应用发展对涡轮机性能提升与技术革新尤为重要。

图1 涡轮机叶片冷却孔Fig.1 Turbine blade cooling holes

图2 涡轮机叶片冷却孔的工作原理Fig.2 The principle of turbine blade cooling holes

目前,常用于涡轮机上带热障涂层高温合金材料制孔要求加工孔定位准确、加工无重铸层、对壁无损伤无微裂纹等,而传统冷却孔的加工方法如电火花和电液束加工很难达到其工艺要求。不同于传统加工的热熔等机理,激光多以蒸发汽化方式去除材料,其中飞秒皮秒脉冲与被加工材料作用时间短几乎不产生热影响区。此外其高度的数字化与自动化优势也很好地实现了微孔复杂异型孔径的制造[5-6]。

但是受限于目前加工工艺和激光本身的影响,微孔加工效率一般较低,加工质量和精度离理想状态还有一定距离。在实际加工时,不仅要选取合理的激光参数确保微孔的加工质量,更需要根据材料的特性和对微孔的要求综合选择合适的加工方法。本文综述了近年来国内外学者对于带热涂层高温合金激光制孔研究进展,介绍了飞秒激光制孔高温合金的工艺优势与不足,分析讨论了皮秒纳秒和毫秒激光制孔带热障涂层高温合金存在的问题,并指出今后的发展方向。

2 激光制孔带热障涂层高温合金进展

热障涂层已广泛用于现代燃气涡轮发动机中以降低燃烧室和涡轮部件的金属表面温度,由于其较低的导热性和良好的化学稳定性,在对金属基板阻隔热流的过程中起着重要作用[4]。先进热障涂层和薄膜冷却技术的应用使涡轮机可以在基材熔化温度下工作,与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本相对较低。典型的热障系统由热障涂层自身(top coat)、粘合层(bond coat)和高温合金基体(superalloy)组成[7-8],如图3所示[9]。其中使用最广泛的TBC(热障涂层)材料为氧化锆(YSZ)。因为陶瓷的不导电性,传统放电加工不能适用,而激光加工则显现了硬脆材料的加工优势[9-10]。在热障涂层上加工冷却孔时微裂纹和重铸层等缺陷对其影响较大,本节将介绍激光制备热障涂层冷却孔的加工特点和不足之处。

图3 电子束沉积TBC的横截面电子显微图Fig.3 Cross-sectional electron micrographof electron beam deposited TBC

2.1 飞秒激光制孔热涂层合金微孔质量

在之前的研究中,飞秒激光加工高温合金微孔得益于其“冷加工”的特性,没有发现与传统长脉冲激光加工的缺陷,诸如飞溅、重铸层、热影响区和激光加工区域周围的微裂纹等[11-12]。飞秒激光的脉宽极短比晶格的弛豫时间短得多,热能仅在晶格内部传输而不会对周围的材料施加热效应。对于加工带热障涂层高温合金等多层材料,飞秒激光超短脉冲和高峰值功率特性也能对其具有较好的加工效果[11],但由于材料间应力的原因,微裂纹也可能在不同材质间的应力集中区域产生。

2006年,密歇根大学Feng等人[10]通过等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在单晶合金CMSX-4上制备了热障涂层,由显微组织的观测表明飞秒激光以能量密度为46 J/cm2,重频为1 kHz的情况下两者均完全不存在长脉冲激光的加工缺陷,包括飞溅、重铸层,穿过TBC层激光加工的区域也没有发现微裂纹,如图4所示。

图4 超快激光加工产生的横截面Fig.4 The cross section by ultrafast laser

较于低能量密度下的加工状态,飞秒激光在重复频率和平均功率同时均为高水平下的热量积累可能会对实验结果产生不利影响。西南交通大学Yu等人[13]研究了飞秒激光脉冲在50 kHz,功率范围在2.28～11.18 W时引起DD6单晶高温合金和TBC的表面形态变化。根据高斯激光束的能量分布,DD6单晶高温合金和TBC中的飞秒激光光斑区域可以分为四个区域即烧蚀区、熔化区、激光诱导区和辐射区域,如图5所示[13]。激光在不同区域其主导的机制不同,其在单晶高温合金上的物理作用是激光诱导的周期性表面结构(LIPSS),而在TBC上是激光诱导的裂纹,由分析数据得出裂纹是在高通量和高重复率飞秒激光下,热应力和激光冲击的机械应力共同作用的结果,因此对于飞秒激光加工热障涂层,合理选取激光参数对裂纹的控制有重要作用。

图5 DD6单晶高温合金和TBC上的激光冲击钻孔的演变示意图Fig.5 Schematic of evolution in the laser percussion drilling holes on the DD6 single-crystal superalloy and TBC

为了检查飞秒激光加工的热涂障涂层微孔是否在循环加热和冷却期间有YSZ层剥落现象,2009年,国外Das等人[14]对具有加工孔的涂覆样品进行了热循环测试。在1100 ℃的空气中进行了300个循环后发现在孔周围没有发生YSZ层的局部剥落,但是在涂层表面上却可以看到一些裂缝,如图6(a)所示。在通过1000次循环的样品表面(包括孔周围的区域)上检测到YSZ层中有大量裂纹但没有发生局部YSZ剥落,如图6(b)所示,由此认为飞秒激光加工在热障涂层高温合金冷却孔不会降低涂层寿命。

图6 7YSZ层热循环后裂纹Fig.6 7YSZ layer cracks after thermal cycling

对于热障涂层中的YSZ层的陶瓷材质加工,不同频率的飞秒激光作用机理也不尽相同,高频飞秒激光较于低频热效应更加显著。2019年,西安交通大学Fan等人[15]提出,由于热障涂层通常有较高空隙率,在严苛的工作环境下多孔的YSZ涂层容易受到熔融盐的热腐蚀。由于飞秒激光“冷加工”特性,加工中的陶瓷部分会暴露这些微孔而腐蚀失效,如图7(a)～(b)所示。他们采用一种新型的激光修改的钻孔方法,由等离子喷涂的涂层会在低频飞秒(LF-fs)激光钻孔后暴露出其固有微孔缺陷。在钻孔后使用高频飞秒(HF-fs)激光器修复侧壁孔和钻孔陶瓷孔的层间间隙,最后通过激光熔化修复毛孔和微裂纹,如图7(c)～(d)所示。高温腐蚀试验的结果表明,开孔的修复和陶瓷孔壁的微观结构改善阻止了熔融盐的渗透,延长了冷却孔和热障涂层的使用寿命。

图7 飞秒激光加工陶瓷层修复前后SEM图Fig.7 SEM images of femtosecond laser processingceramic layer before and after repair

金属和陶瓷之间的热机械性能差异是多层材料系统的热障涂层材料激光打孔的最大障碍之一[9,16]。除了固有的缺陷,包括溅射,微裂纹以及重铸层,界面开裂分层也是此类多层系统激光钻孔的关键问题。由激光诱导的裂纹会引起TBC界面分层,在TBC系统的微孔中,粘结层与高温合金界面在激光加工过程中累积的应力差以及各层间热膨胀系数不一致都可能会产成热障涂层分层现象[17-18]。

2002年,Corcoran等人[7]研究了飞秒激光参数和TBC密度对分层和孔微结构的影响。实验发现较短的脉冲宽度、较高的TBC密度和较高的气压可以在不同程度上减小分层。2007年,Das等人[19]使用飞秒激光诱导击穿光谱仪(fs-LIBS)对热障涂层系统进行了深度分析,在无陶瓷层的情况下可以在粘结层和基底之间以及粘结层的两层之间定性地进行区分,如图8所示BSE(背散射电子成像)横截面图像[20]。实验得出由 fs-LIBS与飞秒激光加工结合使用可以在热障涂层合金部件上加工出高质量冷却孔。

图8 涂层的横截面BSE图像Fig.8 Cracks in the cross section by laser

2.2 飞秒激光制孔涂层合金微孔几何形貌

热障涂层上制备冷却孔的重要特征包括孔径圆度、孔壁形状及表面粗糙度等,冷却孔的加工质量在一定范围内取决于激光参数的控制。飞秒激光加工微孔基本都是有锥度的,不仅是因为其能量呈标准的正态分布,而且在飞秒激光制孔过程中,随着加工孔的深度不断增加,孔内壁面积增大,孔壁对激光能量的吸收和散射增大,使得激光加工孔底的能量降低,材料的烧蚀速率逐渐下降,在加工过程中喷射出的大量等离子体也阻碍了激光对下层的烧蚀作用,同时这也会造成孔两侧圆度和粗糙度的差异。2009年,Das等人[14]通过钛蓝宝石飞秒激光加工了三种不同厚度涂层样品的通孔,被加工材料以镍基单晶高温合金CMSX4为基材,隔热涂层由MDC 150L Pt-Al化合物粘合涂层和电子束物理气相沉积7YSZ(7 %氧化锆)陶瓷层组成。图9显示了预期直径为600 μm的孔的平面图,电镜图为在0.4 mm厚样品的入口侧和出口侧的孔径圆度形貌,入口侧孔的圆度明显可见,但是在出口侧孔的圆度略差,其入口直径大于出口直径形成了一定的锥度。同时发现加工孔的过程中,在给定位置的脉冲与7YSZ涂层的相互作用使孔周围的100 μm区域上发生了轻微的烧蚀导致材料损失,但没有观察到严重的损害如微裂纹或分层等缺陷。

图9 入口侧和出口侧的微孔扫描电镜图Fig.9 SEM of microholes on the inlet and outlet sides

2018年,西安交通大学Zhai等人[11]采用波长为800 nm的飞秒激光在带有热障涂层的镍基合金上冲击阵列打孔,分析了飞秒激光脉冲积累导致的微孔尺寸变化,结果表明飞秒激光的脉冲数与材料加工尺寸之间具有良好的线性关系。在电子显微镜观察到加工的孔锥度几乎为零,其内径为162 μm,纵横比为15∶1。由能谱仪分析表明通孔的圆度高,入口处没有明显的材料堆积和因熔融沉积而引起的不均匀孔形或阻塞,如图10(a)～(b)所示,在涂层和基材之间也没有裂纹的产生,图10(c)显示了阵列孔的侧壁微观形态。这也明飞秒激光加工对涂层的基本成分和相结构影响很小,可以在镍基合金上实现高质量的通孔加工。

(c)

(b)

(a)

图10 阵列通孔正侧面扫描电镜图Fig.10 Scanning electron micrograph ofthe front and side of the array through hole

2.3 皮秒激光制孔带热障涂层高温合金

飞秒激光具有相对更短的脉宽和更大的峰值功率以及更小的热影响区,但其结构复杂、维护成本高面向工业化还需要时间。此外,由Christian等人[21]实验表明飞秒脉冲与大气的非线性相互作用还会对孔质量产生负面影响并认为5～10 ps脉宽最有利,同时由于孔内不规则形状造成的散射效应会随着脉冲时间的增加(最高至10 ps)而大大降低。与飞秒激光相比,皮秒纳秒激光加工过程中会显现出来长脉冲激光加工的特征,如热效应等。虽然皮秒激光脉宽比长脉冲激光要小得多,但仍然很难避免热量积聚,尤其在高重复率和高能量密度的情况下蓄热甚至变得更严重。不过皮秒激光加工技术相对成熟,可提供较高的平均功率和重频,同时具有更高的加工效率[22]。

2018年,西安交通大学Sun等人[23]通过532 nm皮秒激光对热障涂层In718合金打孔的实验,实验发现重复频率对孔口周围熔融材料积聚的影响最为显著,激光重复频率的增加会导致等离子体的重新加热,热量加速积聚而晶格间散热时间减少会加剧材料的热损伤。由于陶瓷的表面非常粗糙,一部分激光会被散射,等离子体的不均匀膨胀也会导致激光能量被不均匀吸收和散射,从而表现在不同方向上重新固化材料的宽度不同,熔融体堆积不规则如图11所示。

图11 不同重复频率环切的微孔SEM图Fig.11 SEM images of microhores with different repetition rate

皮秒激光去除机制是蒸发,熔化极少。钻孔后的表面质量接近飞秒激光钻孔的水平。但是由于蓄热,不可避免地存在类似于长脉冲激光钻孔的热效应。如图12所示,皮秒激光钻孔的典型缺陷是由少量熔体、大量碎片和纳米粒子形成的凝固层。加工中的碎片和纳米粒子被等离子羽流吹离表面,在此过程中大多熔体和碎屑可能已经冷却并固化,部分附着在壁上形成了薄而间断的固化层,其结合力不如重铸层强。在皮秒激光钻孔过程中,大量材料通过蒸发和相爆炸被去除,这对侧壁的形态影响不大。在加工中选取适当的参数能最大程度上减小固结层的厚度,但薄而间断的固结层很难覆盖所有陶瓷孔,最终在壁的侧面上形成了陶瓷缺陷。

(d)图12 重铸层与固化层的形成机理图Fig.12 Schematic diagram of the formation mechanismof recast layer and resolidified layer

2019年,上海交通大学Zheng等人[20],通过1030 nm的皮秒激光对沉积厚度约为400 μm 的TBC层镍基高温合金(GH3536)打孔,定量的分析了其裂纹产生机理并构建热力耦合模型得出界面裂纹是由材料热特性产生巨大应力导致的,特别是TBC/BC界面的几何特征在TBC/BC界面分层裂纹和纵向主裂纹中都起着重要影响。TBC层的内部裂纹受氧化锆的热应力、界面形态和相变的影响,如图13所示。另外预测了在不减小激光功率的条件下降低重复频率能避免微裂纹的产生,提高制孔的质量。

图13 超快激光加工产生的横截面裂纹Fig.13 Cracks in the cross section by laser

2.4 纳秒毫秒激光制孔热涂层高温合金

2012年,上海交通大学Qi等人[9]使用532 nm纳秒光纤激光器研究了脉冲激光束与金属和热障涂层之间的相互作用。通过建立热熔模型确定了在恒定脉冲和移动激光束作用下的烧蚀材料体积和尺寸。在单槽加工中发现由高能激光束烧蚀深而窄的沟槽中会有明显的熔化和喷射,小的散焦会形成较大的凸起和重铸层。通过比较模拟的数据和实验数据,选取最佳的加工参数可以达到最大的加工效率和最小的热效应如重铸层、边缘突起和微裂纹,但是实验中未能完全避免热效应带来的加工缺陷。

为了提高热障涂层镍基合金上激光微孔钻孔的质量和加工效率,西安交通大学Wang等人[24]提出了一种两步法,即开始使用毫秒激光制备通孔,然后使用飞秒激光对孔壁进行精加工,实验设备如图14所示。

图14 毫秒激光与飞秒激光钻孔系统的实验装置Fig.14 Experimental setup of the millisecondlaser system and femtosecond laser system

在第一步中,采用峰值功率逐次下降的短间隔脉冲可以防止蒸气压突然下降促使熔体连续向上流动,而脉冲串后续的峰值功率的逐步减小防止出口直径的进一步扩大。这种脉冲序列能够加工出具有较小锥度的孔。实验中发现热涂层的分层位置与脉冲形状的关系不大,主要与脉冲序列的峰值功率相关如图15所示。在第二步中使用飞秒激光去除重铸层并细化孔壁,最后运用统计方法作出了合理假设,即如果使用更高的功率和打孔速度可以在保证孔径质量下进一步减少精加工时间。如图16(b)中所示了飞秒激光精加工预制孔后的形貌,可以清楚地观察到加工后孔边缘锋利,孔壁较完整光滑。

图15 微孔分层裂纹随脉冲峰值功率变化SEM图Fig.15 SEM image of microporous delaminationcrack with pulse peak power

图16 秒激光精加工孔的SEM图Fig.16 SEM images of the holes refined byfemtosecond laser trepanning

据先前的实验表明激光制孔中斜孔往往比直孔更容易发生TBC的分层,由此可以推断分层现象是由热应力引起而通过激光束产生的机械应力传播的[25]。2016年,Fan等人[26]研究了在涂有热障涂层的镍基高温合金上的倾斜孔的激光钻孔,比较了两种钻孔方式,即三步激光钻孔(TSLD)和一步激光钻孔(OSLD)。在TSLD实验中,使用三个步骤来钻孔涂覆TBCs涂层的超级合金的不同层:(a)纳秒激光烧蚀TBCs;(b)毫秒激光钻孔底材具有钻孔余量(0.1～0.2 mm);(c)通过毫秒激光以低脉冲能量去除的钻孔余量。如图17所示。

图17 三步激光钻孔原理Fig.17 Schematic diagram of three-step laser drilling

板孔的钻削余量可以使熔体偏移TBC前沿的流动轨迹,这种现象可能会将孔的前缘与喷射的熔融材料隔离从而防止了剪切应力的产生。TSLD加工中没有金属喷射到前缘TBC层上,在孔入口处也未发生飞溅,在TBC后缘的深部观察到固结层从60 μm减小到了10 μm,同时TBC与基底界面处不存在由熔体喷射引起的分层,未发现固结层有明显的重熔裂纹,如图18所示。

裂纹与分层受热应力影响,弹性模量的差异则是诱导裂纹的深层原因。在热障涂层打孔中,由于复合材料间的弹性模量不同,材料受热越严重则变形的程度增加应力也随之增大,分层和裂纹现象会愈加明显。2017年,Wang等人[17]进行了热障涂层的激光冲击打孔实验,并进行了热应力和相关制孔过程的计算研究。实验采用YAG激光打孔涂有热障涂层1.9 mm的Inconel 718超级合金板,基于热应力分析讨论了激光脉冲时间、激光平均功率和材料弹性模量对分层的影响,发现分层现象随着脉宽的增加而变得更加严重。低功率(68 W)或高功率(228 W)都不利于防止裂纹的形成,对于高峰值功率密度,空腔中的反冲蒸气压非常大,等离子体很容易被这种强压力喷出而不是留在模腔中。这表明界面处的裂纹主要是由于材料特性固有失配的热梯度引起的,所以在具有高峰值功率密度的激光钻孔中热应力应成为裂纹的主要考虑因素,如图19所示。

(a)OSLD

(b)TSLD图18 通过OSLD和TSLD方法钻出的倾斜孔后缘的重熔裂纹分布Fig.18 Distribution of re-melted cracks on the trailing edgeof inclined hole drilled by OSLD and TSLD method

图19 不同脉宽下的裂纹的典型几何特征Fig.19 Typical geometric features of cracksfor various pulse durations

YAG毫秒激光打孔TBC层间表面裂纹以及裂纹拓展。使用太低的激光峰值功率不仅会由于停滞现象而在界面附近造成严重的热量积聚,而且还需要更高的激光能量制成通孔。由仿真模拟得出,过大的弹性模量差可能容易在界面上产生裂纹和分层,通过控制弹性模量的变化可以有效地减小界面附近的应力差,减少界面附近的应力突变能有效防止裂纹。最后采用逐步逼近的方法能确保TBC和BC的弹性模量沿厚度方向彼此接近以此改善通孔的加工质量。

2019年,德国的Ebrahimzade等人[27]对热障涂层的标本进行了不同激光设置的钻孔研究,包括冲击钻孔与环切钻孔、长脉冲与短脉冲钻孔、倾斜钻孔与垂直钻孔以及循环氧化对样品微观结构的影响。

通过比较光纤激光器的冲击和环切钻孔方式发现前者由于具有更高的脉冲能量会产生较大的裂纹,并且观察到其重铸层更薄,同时由高脉冲强度下熔体的蒸发会加速其喷射与飞溅。在光纤激光器与闪光灯泵浦激光器的对比中,激光相对更高的重复频率使其在加工中对孔造成的缺陷更大。在光纤激光冲击打孔和循环氧化后的环切钻孔的对比中,斜孔前缘以及附近的侧壁处均会发生分层如图20所示,其分别是由于冲击打孔中的应力和几何形状引起的应力而产生。最后测得斜孔的氧化性比直孔更高表明了斜孔的微孔缺陷更大,这也与前文Fan等人[26]结论相同。

图20 光纤激光环切钻孔与冲击钻孔中TBC分层Fig.20 TBC delamination in fiber laser circumcisiondrilling and percussion drilling

在激光制孔中产生的波纹现象方面,2020年,西安交通大学Wang等人[28]对激光束的偏振对微孔形态的影响进行了综合分析,实验表明线偏振和圆偏振会影响孔侧壁产生的LIPSS(激光感应的周期性表面结构)形貌。对于TBC层,侧壁上结构的形态对激光束的偏振有很大的依赖性。对于BC和基底层,侧壁的微观结构与激光束的偏振态无关。

3 总结与展望

激光加工是一种非接触式加工技术,利用了其高能激光束通过熔体喷射或者汽化蒸发等方式去除所加工的材料。激光制备带热障涂层高温合金微孔已成为业内认可的涡轮机叶片冷却孔的加工技术。其中飞秒激光具有超短脉冲和超高峰值功率特性,其加工热障涂层复合材料的优势在国内外的研究中多次体现。飞秒激光加工带热障涂层高温合金微孔通常不会发生微裂纹、飞溅、重铸层和其他热损伤,微孔质量较高圆度好,但由低频飞秒激光冲击下陶瓷涂层侧孔壁会有微孔腐蚀的缺陷,在高频率高等量密度下的飞秒激光制孔其热量累积也是不可忽略的,热障涂层可能会在热应力与激光冲击下的机械应力共同作用下出现微裂纹。飞秒激光能量呈高斯分布分布,所加工出来的孔都有一定的锥度,这需要后续实验优化激光参数或者设置其他辅助工艺来减小微孔锥度。皮秒激光相较于飞秒激光会显现出长脉冲激光的特性,在加工热障涂层微孔时会有熔融物飞溅和固结层等缺陷,并且由于TBC复合材料自身的热膨胀系数不同等特性以及皮秒激光热应力等影响会使TBC分层。对于纳秒与毫秒激光制备微孔往往都具有激光制孔的固有缺陷,裂纹与重铸层以及TBC间的分层现象更加明显。同时毫秒激光所加工的斜孔一般比直孔缺陷更多,这也表明了热应力对加工质量的重要影响,而其具有高质量微孔的制备通常需要其他后续的辅助工艺实现,其中不乏由飞秒激光修复毫秒激光打孔中的缺陷。

近年来,激光制孔技术日趋成熟,但这其中飞秒激光加工高深径比的理论仍需不断完整,不能只采用简单的线性关系来调整加工参数。皮纳秒激光加工深微孔仅仅依靠更高的平均功率和单脉冲能量还远不足够,这些对激光微孔加工技术的提高都造成了阻碍,也影响了激光微纳加工技术的进一步发展。为了达到带热障涂层高温合金微孔更理想的加工效果,对激光参数和加工工艺进行优化的同时还要发掘更多的辅助技术,现如今已有了超声波辅助激光打孔技术、喷射液束电解激光混合加工技术等。

随着对激光加工优化的深入研究和创新性工艺的不断探索,激光在航空等制造领域将会拥有更大的应用前景。