摘要
采用定向凝固技术制备的镍基单晶高温合金因其垂直于应力轴的横向晶界被消除，不但具有良好的抗氧化和抗热腐蚀能力，而且具有优异的疲劳性能、耐高温特性、抗断裂韧性以及抗蠕变性能等综合性能，被广泛应用于先进航空发动机、工业燃气轮机等热端部件。本文以我国自主研制的第二代镍基单晶高温合金DD6为研究对象，开展水导激光精密加工镍基单晶高温合金工艺方面相关研究，主要研究内容如下： 首先，通过理论分析，系统地讨论了水导激光加工过程中激光与金属材料的相互作用以及材料去除机制；阐述了水导激光加工技术原理，详细介绍了自主研发的水导激光加工系统，并利用高速相机分析了增压泵工作对高速水射流层流状态的影响，阐明了以532nm波长的纳秒激光作为水导激光加工光源的优势。 其次，完成了水导激光对DD6高温合金切割工艺研究。利用单因素试验和响应曲面法，分析了水导激光切割关键工艺参数对加工结果的影响，最终得到了优化后的加工工艺参数（进给速度1.0mm/s、水射流速度180.0m/s、脉冲频率10.0kHz、激光功率14.4W）并进行了加工试验验证。开展了水导激光和空气中纳秒激光加工DD6高温合金对比研究，分析两种工艺下的微观组织形貌和表面粗糙度。研究发现：空气中纳秒激光加工改变了DD6近表层取向，而水导激光加工却对近表层取向无影响，验证了水导激光加工镍基单晶高温合金的优越性。另外，分析了水导激光加工水射流溅射现象对切割的影响，并基于前述研究得到的最优加工工艺参数，通过平行路径切割方法，实现了对3mm厚度DD6高温合金的切割，完成了入口宽度为237.84μm、深宽比12.6：1、斜度为1.53°的深窄槽加工，并对沟槽形貌进行了分析。 最后，完成了水导激光对DD6微孔加工工艺研究。基于前述水导激光切割镍基单晶高温合金加工工艺研究，针对孔径与水射流直径比小于10：1的0.5mm微小孔难以实现旋切式制孔加工的问题，本章利用自外向内的同心圆填充式加工方法，利用单因素制孔试验和响应曲面试验，分析了各工艺参数的交互作用，得到优化后的加工工艺参数（激光功率25.0W、激光重复频率5.2kHz、进给速度93.5mm/min、水射流速度100.0m/s）并进行加工试验验证。同时，分析了水导激光加工溅射现象对制孔的影响，利用最优加工工艺参数，实现了3mm厚度DD6微孔加工，得到入口直径为689.76μm、出口直径为490.93μm、深径比为6.11：1、锥度为1.8°的微孔，并分析了微孔上下加工表面以及切割面的形貌。 本文的研究成果对镍基单晶高温合金的精密加工有一定的指导意义，同时为水导激光加工镍基单晶高温合金提供了系统的理论和试验依据。
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