摘要
近年来我国大力发展航空领域，航空发动机的研发和加工制造是制约我国航空领域发展的主要原因，也是我国的一项“卡脖子”技术。航空发动机涡轮叶片是发动机的核心部件，工作在高温高压的恶劣环境下，其也是衡量航空发动机先进程度的重要指标。经过研究，在涡轮叶片上布置大量的微细气膜孔有利于涡轮叶片散热，可以增加涡轮叶片的耐久性和工作稳定性，提高航空发动机的整体性能。激光加工作为一种新型的加工制造技术，具有高精度、高效率、无污染及无刀具损耗等优势，已经成为微孔加工领域的首选技术。但激光加工容易产生重铸层、微裂纹等热缺陷，加工过程中产生的等离子体还会对激光的传输产生影响。因此减小激光加工的热缺陷，提高激光加工微孔质量成为了研究热点。本文以涡轮叶片常用材料Inconel718高温合金为研究对象，开展液体/磁场辅助飞秒激光加工微孔的研究。 首先，对加工方式和磁场辅助下不同激光参数（激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数）进行了研究。在同心圆轴向进给的加工路径中由内到外的扫描方式加工微孔的质量较高。增加激光功率、重复频率和扫描次数可以增加进出口孔径和圆度、减小锥度，降低扫描速度可以增加进出口孔径和圆度、减小锥度。在激光功率为36W、重复频率为200kHz、扫描速度为200mm/s、扫描次数为100次时，可以在保证加工质量的同时，还有不错的加工效率。在不同的参数下增加磁场辅助均表现为减小入口直径和锥度，增加出口直径。相同的工艺参数下孔径越大，微孔的几何精度越高，磁场辅助的效果越明显。 其次，选出了液体辅助时选用逐圈逐层的加工路径，液层高度为0mm，筛选出2mol/LHCL和4mol/LNaNO3混合溶液为辅助化学液。最后，结合液体辅助技术和磁场辅助技术，提出了液体磁场复合辅助的方法。实验结果表明，复合辅助比单一辅助制孔效率与质量都得到提高。液体磁场复合辅助中化学液磁场复合辅助加工的孔质量最高，锥度最小、内壁粗糙度最小、重铸层和氧化程度最低。与无辅助的情况下相比，锥度减小了67%，孔内壁粗糙度减小了91%。横向稳态磁场和液体介质都可以提高微孔质量和加工效率。在磁场辅助下，增强了等离子体中带电粒子的运动，降低了等离子体的密度，减小了等离子体对激光的屏蔽和增加了等离子体对孔壁的冲击作用。液体吸收热量后内部产生气泡，液体内部气泡向上运动的同时会带动途径的液体向上运动，而且液体环境会增加等离子体的反冲压力，液体中的两种作用都增强了对孔内壁的冲击作用，提高材料的烧蚀率，化学液辅助下，化学液还可以和烧蚀材料发生化学反应，进一步提升加工效率。在0-200mT磁场强度变化范围内，不同的加工介质均表现为，磁场强度越高，磁场辅助效果越好。 本文系统的研究了液体/磁场辅助飞秒激光加工Inconel718高温合金微孔的工艺及其机理，证实了液体/磁场辅助可以改善微孔质量的有效性，为相关领域的技术应用和工业生产提供了重要的实践和理论支撑。
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