一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法
阅读说明：本技术 一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法 (Femtosecond laser precision removing method for thermal barrier coating of turbine blade ) 是由 周留成 蔡振兵 俞延庆 杨家仙 李玉琴 王学德 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光加工技术领域,且公开了一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法,主要包括以下步骤：步骤一,加工工件前,将待加工工件安装于工作台上并设定激光器的相应参数,主要包括激光的波长、脉冲宽度、重复频率、激光器工作功率；步骤二,利用CAD软件进行加工路径的设定,利用激光打标控制软件设定具体加工条件,包括扫描速度,扫描次数,扫描线间距；步骤三,加工开始时,超短脉冲激光束从激光源发射。该涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法,通过设定激光器的性能参数以及通过控制系统调节光束调整传输协调以及监测系统,实现对复杂曲面上的热障涂层高效、高精度去除。(The invention relates to the technical field of laser processing, and discloses a femtosecond laser precision removal method for a thermal barrier coating of a turbine blade, which mainly comprises the following steps: before a workpiece is machined, mounting the workpiece to be machined on a workbench and setting corresponding parameters of a laser, wherein the parameters mainly comprise the wavelength, the pulse width, the repetition frequency and the working power of the laser; setting a processing path by using CAD software, and setting specific processing conditions including scanning speed, scanning times and scanning line spacing by using laser marking control software; and step three, emitting the ultra-short pulse laser beam from the laser source when the processing is started. According to the femtosecond laser precision removing method for the thermal barrier coating of the turbine blade, the thermal barrier coating on a complex curved surface is removed efficiently and precisely by setting performance parameters of a laser and adjusting a light beam adjustment transmission coordination and monitoring system through a control system.)
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法。
背景技术
在航空技术的快速发展的背景下，航空发动机正朝着高流量比、高推重比的方向发展，这很大程度上取决于发动机涡轮的进口温度。下一代航空发动机推重比大于12，要求其涡轮叶片等热端部件的服役温度达到2000K。随着对发动机热端部件服役温度要求的提高，仅仅依靠高温合金本身的抗高温性能已经满足不了航空发动机的设计要求。在过去四十年中，为满足涡轮叶片等热端部件满足高温冲击以及高温强腐蚀等极端服役环境的要求，航空发动机领域一直采用在高温合金表面制备热障涂层的方法。
一般地，在实际工程中使用的热障涂层结构为双层结构。表层为陶瓷层，主要起隔热作用；内层为粘接层，主要起增强结合力和抗氧化作用。但是在实际工作环境下以及涂覆过程中，会造化热障涂层的部分失效与破坏。由于发动机热端部件形状设计复杂且造价昂贵，重新加工制造成本较高，并且热障涂层绝缘性好、附着力强，目前的存在的去除方法存在着一定的局限性。因此我们提供一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法。
发明内容
本发明提供了一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案：一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，主要包括以下步骤：
步骤一，加工工件前，将待加工工件安装于工作台上并设定激光器的相应参数，主要包括激光的波长、脉冲宽度、重复频率、激光器工作功率；
步骤二，利用CAD软件进行加工路径的设定，利用激光打标控制软件设定具体加工条件，包括扫描速度，扫描次数，扫描线间距；
步骤三，加工开始时，超短脉冲激光束从激光源发射，通过光束传输调整系统扩束调直后再经过扫描振镜的反射，最后由聚焦镜进行平行聚焦后照射到待加工工件表面；
步骤四，加工过程中，通过控制系统协调光束传输系统和工作台，使脉冲激光束按照指定的路径去除表面热障涂层，其中工件随工作台移动，扫描振镜往复摆动，使得点状圆形光斑扫描成准线型圆形光斑；
步骤五，加工过程中，通过实时监测系统观察清洗效果并反馈给控制系统，控制系统实时调整相应参数实现最优化清洗；
步骤六，清洗过程完成，取出加工完成的工件。
优选的，所述超短脉冲激光束的脉冲宽度(单次脉冲持续时间)能达到飞秒级(10-15次方秒)甚至更低。
优选的，所述光束传输系统能调节激光加工过程中的光斑直径、离焦量等参数。
优选的，所述控制系统能协调工作台和光束传输系统，实现对复杂曲面上热障涂层的去除。
优选的，所述超短脉冲激光束具有极高的峰值能量密度和极短的脉冲宽度，加工过程利用激光-等离子体的相互作用，使得超短脉冲激光光子被材料中电子吸收，进而导致材料的去除，因此能够去除非金属陶瓷层以及与基材发生物化反应的强附着力粘接层。
优选的，所述超短脉冲激光束脉冲宽度极短，其脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间(如电子弛豫时间及电子-声子弛豫时间等)，加工过程引入极少量的热，可实现真正意义上的“冷加工”。
优选的，所述超短脉冲激光束区别于长脉冲激光束，并不会造成基材的烧蚀气化、冲击振动，因此加工过程中不会形成熔融区以及微裂纹、可控性极高，对基材表面不损伤或损伤很小。
优选的，所述超短脉冲激光束去除表面热障涂层过程中可以配备气体喷嘴，气体喷嘴可以释放气体，用于避免热障涂层去除过程中的基体表面的二次污染并提高去除效率。
本发明具备以下有益效果：
1、该涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，通过设定激光器的性能参数以及通过控制系统调节光束调整传输协调以及监测系统，实现对复杂曲面上的热障涂层高效、高精度去除。
2、该涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，通过利用超短脉冲激光束直接作用于待去除热障涂层表面，由于超短脉冲激光束脉冲宽度短，峰值能量密度高能够去除表层非金属陶瓷层以及内部的强附着力的粘接层。
3、该涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，通过在加工过程中引入极少量的热，以“冷加工”的方式去除材料表面热障涂层，并且加工过程中不会形成熔融区、微裂纹等，对基材表面损伤极小且去除效果好，在表面热障涂层去除方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的超短脉冲激光去除表面热障涂层方法示意图；
图2是典型热障涂层示意图；
图3是不同参数影响规律图；
图4是不同飞秒激光功率加工后的SEM照片(a)未加工(b)5W(c)10W(d)15W(e)20W；
图5是不同飞秒激光功率加工后涡轮表面的元素含量及表面粗糙度；
图6是不同飞秒激光重复频率加工后的SEM照片(a)未加工(b)100KHz(c)250KHz(d)500KHz(e)1000KHz；
图7是不同飞秒激光重复频率加工后涡轮表面的元素含量及表面粗糙度；
图8为不同扫描次数加工后的SEM照片(a)未加工(b)1次(c)10次(d)50次；
图9为不同扫描次数加工后涡轮表面的元素含量及表面粗糙度。
图中：1、激光器；2、振镜X；3、振镜Y；4、聚焦镜；5、喷气嘴；6、基底；7、涂层；8、陶瓷层；9、粘接层；10、基材。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-9，一种涡轮叶片热障涂层飞秒激光精准化去除方法，主要包括以下步骤：
步骤一，加工工件前，将待加工工件安装于工作台上并设定激光器的相应参数，主要包括激光的波长、脉冲宽度、重复频率、激光器工作功率；本实施例中的激光器是采用立陶宛Light Conversion公司的PHAROS系列激光器，激光器的基本参数：波长为1064nm、重复频率为1～1000kHz、脉冲宽度为290fs、最大平均功率为20W；
步骤二，利用CAD软件进行加工路径的设定，利用激光打标控制软件设定具体加工条件，包括扫描速度，扫描次数，扫描线间距；
步骤三，加工开始时，超短脉冲激光束从激光源发射，通过光束传输调整系统扩束调直后再经过扫描振镜的反射，最后由聚焦镜进行平行聚焦后照射到待加工工件表面；
步骤四，加工过程中，通过控制系统协调光束传输系统和工作台，使脉冲激光束按照指定的路径去除表面热障涂层，其中工件随工作台移动，扫描振镜往复摆动，使得点状圆形光斑扫描成准线型圆形光斑；
步骤五，加工过程中，通过实时监测系统观察清洗效果并反馈给控制系统，控制系统实时调整相应参数实现最优化清洗；
步骤六，清洗过程完成，取出加工完成的工件，本实施例中，采用飞秒激光束去除高温合金表面的粘接层，基材是DZ125定向凝固柱晶高温合金，Al的质量分数为4.8％-5.4％；粘结层的材料是NiCrAlYSi，厚度为25-35μm，Al的质量分数为6％-10％。
进一步地，所述超短脉冲激光束的脉冲宽度(单次脉冲持续时间)能达到飞秒级(10-15秒)甚至更低。
进一步地，所述光束传输系统能调节激光加工过程中的光斑直径、离焦量等参数，通过参数的设定实现对材料表面热障涂层的最优化去除。
进一步地，所述控制系统能协调工作台和光束传输系统，实现对复杂曲面上热障涂层的去除。
进一步地，所述超短脉冲激光束具有极高的峰值能量密度和极短的脉冲宽度，加工过程利用激光-等离子体的相互作用，使得超短脉冲激光光子被材料中电子吸收，进而导致材料的去除，因此能够去除非金属陶瓷层以及与基材发生物化反应的强附着力粘接层。
进一步地，所述超短脉冲激光束脉冲宽度极短，其脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间(如电子弛豫时间及电子-声子弛豫时间等)，加工过程引入极少量的热，可实现真正意义上的“冷加工”。
进一步地，所述超短脉冲激光束区别于长脉冲激光束，并不会造成基材的烧蚀气化、冲击振动，因此加工过程中不会形成熔融区以及微裂纹、可控性极高，对基材表面不损伤或损伤很小。
进一步地，所述超短脉冲激光束去除表面热障涂层过程中可以配备气体喷嘴，气体喷嘴可以释放气体，用于避免热障涂层去除过程中的基体表面的二次污染并提高去除效率。
实施例1
本实施例主要研究激光功率的影响规律，具体过程是：
第一步，加工工件前，将待加工工件安装于工作台上，设定激光的参数，其中，波长1064nm、脉冲宽度290fs、重复频率1000kHz、激光器工作功率5、10W、15W、20W；
第二步，利用CAD软件进行加工路径的设定，利用激光打标控制软件设定具体加工条件，其中，光斑直径为30μm，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为10次，扫描线间距为0.04mm；
第三步，加工开始时，超短脉冲激光束从激光源发射，通过光束传输调整系统扩束调直后再经过扫描振镜的反射，最后由聚焦镜进行平行聚焦后照射到待加工工件表面；
第四步，加工过程中，通过控制系统协调光束传输系统和工作台，使脉冲激光束按照指定的路径去除表面热障涂层，其中工件随工作台移动，扫描振镜往复摆动，使得点状圆形光斑扫描成准线型圆形光斑。
第五步，清洗过程完成，取出清洗完成的工件(如图4)，清洗完成后测量清洗后的表面粗糙度和元素含量(如图5)。
实施例2
本实施例主要研究激光重复频率的影响规律，具体过程是：
第一步，加工工件前，将待加工工件安装于工作台上，设定激光的参数，其中，波长1064nm、脉冲宽度290fs、重复频率100KHz，250KHz，500KHz，1000KHz、激光器工作功率20W；
第二步，利用CAD软件进行加工路径的设定，利用激光打标控制软件设定具体加工条件，其中，光斑直径为30μm，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为10次，扫描线间距为0.04mm；
第三步，加工开始时，超短脉冲激光束从激光源发射，通过光束传输调整系统扩束调直后再经过扫描振镜的反射，最后由聚焦镜进行平行聚焦后照射到待加工工件表面；
第四步，加工过程中，通过控制系统协调光束传输系统和工作台，使脉冲激光束按照指定的路径去除表面热障涂层，其中工件随工作台移动，扫描振镜往复摆动，使得点状圆形光斑扫描成准线型圆形光斑；
第五步，清洗过程完成，取出清洗完成的工件(如图6)，清洗完成后测量清洗后的表面粗糙度和元素含量(如图7)。
实施例3
本实施例主要研究激光扫描次数的影响规律，具体过程是：
第一步，加工工件前，将待加工工件安装于工作台上，设定激光的参数，其中，波长1064nm、脉冲宽度290fs、重复频率1000KHz、激光器工作功率20W；
第二步，利用CAD软件进行加工路径的设定，利用激光打标控制软件设定具体加工条件，其中，光斑直径为30μm，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为1、10、50次，扫描线间距为0.04mm；
第三步，加工开始时，超短脉冲激光束从激光源发射，通过光束传输调整系统扩束调直后再经过扫描振镜的反射，最后由聚焦镜进行平行聚焦后照射到待加工工件表面；
第四步，加工过程中，通过控制系统协调光束传输系统和工作台，使脉冲激光束按照指定的路径去除表面热障涂层，其中工件随工作台移动，扫描振镜往复摆动，使得点状圆形光斑扫描成准线型圆形光斑；
第五步，清洗过程完成，取出清洗完成的工件(如图8)，清洗完成后测量清洗后的表面粗糙度和元素含量(如图9)。
本发明的设计原理：
超短脉冲激光束具有脉宽极短、峰值能量密度极高的特点，其加工机理是一个受诸多因素影响的非线性、非平衡的复杂过程，其影响规律如图3所示，热障涂层是由非金属陶瓷层以及金属粘接层组成，对于内层的金属层，作用区域中金属表面的大量自由电子吸收激光光子能量，在飞秒量级被瞬时加热，并通过电子-电子的碰撞，在极短的时间内重建费米分布；但自由电子质量比离子质量小很多，每次电子-离子的碰撞只能传递很少的能量，脉冲作用时间内晶格温度几乎不变，所以自由电子的能量传递给晶格需要更长的时间，对于外层非金属陶瓷层，不存在大量的自由电子，在超短脉冲的作用下，被加工区域受到强电场光致电离或隧道电离产生种子电子，并进一步通过电子间相互碰撞导致雪崩电离，产生大量的自由电子，从而使非金属材料表面的薄层转变为具有金属特性的吸收等离子体；此后激光-等离子体的相互作用，超短脉冲激光光子被材料中电子吸收，进而导致材料的去除，因此超短脉冲激光束能够去除表层非金属陶瓷层以及内部的强附着力的粘接层。
由于超短脉冲激光的超快特性，其脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间(如电子弛豫时间及电子-声子弛豫时间等)，加工过程引入极少量的热，可实现真正意义上的“冷加工”，相比于长脉冲激光，飞秒激光具有超快、超强的特点，这就决定了其加工是一个非线性、非平衡过程，超强的激光峰值功率带来了明显的阈值效应，而超快的激光作用过程带来了极小化的热影响区，因此加工过程中不会形成熔融区以及微裂纹、可控性极高，对基材表面不损伤或损伤很小。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。