Femtosecond laser precision machining of fuel injection holes in nickel-based superalloys

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工 Femtosecond laser precision machining of fuel injection holes in nickel-based superalloys 1 first-author 王 旭（1993—），男，辽宁大连人，博士研究生，2021年于沈阳工业大学获得硕士学位，主要从事超快激光精密加工方面的研究。E-mail: wxuxu1993@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665091&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665095&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665093&type= 22.01333237 32.00399780 王 旭 （1993—），男，辽宁大连人，博士研究生，2021年于沈阳工业大学获得硕士学位，主要从事超快激光精密加工方面的研究。E-mail: wxuxu1993@163.com wxuxu1993@163.com 1 1 corresp Email： liliqun@hit.edu.cn Email： liliqun@hit.edu.cn 李俐群（1970—），女，陕西西安人，教授，博士，2003年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事激光焊接、激光增材制造、超快激光微纳加工的研究。E-mail: liliqun@hit.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665098&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665106&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665101&type= 22.01332855 32.00400543 李俐群 （1970—），女，陕西西安人，教授，博士，2003年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事激光焊接、激光增材制造、超快激光微纳加工的研究。E-mail: liliqun@hit.edu.cn liliqun@hit.edu.cn 1 1 2 2 2 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 15001， China State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 15001， China 北京动力机械研究所，北京 100074 北京动力机械研究所，北京 100074 Beijing Power Machinery Research Institute， Beijing 100074， China Beijing Power Machinery Research Institute， Beijing 100074， China 飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势，可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此，本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式，系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明，离焦量对入口孔径的影响最为明显；对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整，本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390 μm的通孔，出口入口孔径误差小于0.6 μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整，有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm，满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良，随激光脉冲重复频率增加，孔壁附近组织逐渐粗化，但均无明显重铸层或热影响区，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。 Femtosecond laser planar spiral drilling strategies offer several advantages， such as flexibility， precision， and process efficiency， making it possible to achieve high machining accuracy for specific types of aerospace engine oil supply nozzle. Therefore， in this study， we adopted a femtosecond laser helical drilling method and systematically investigated the effects of laser power， single layer feed， single layer scan time， defocusing amount， and pulse repetition rate on the quality of drilling. The defocusing amount has significant influence on the inlet diameter， while power and feed are the parameters affecting the outlet diameter the most； processing efficiency heavily depends on power. Considering these aspects， through-holes with a hole size of 390 μm were successfully prepared on GH3044 sheets with a thickness of 1.5 mm. The errors for inlet-outlet diameters and taper were less than 0.6 μm and 0.5°， respectively. Using the statistical analysis of the variation law of hole wall roughness under different parameters， it was found that the roughness value can be effectively reduced to Sa = 0.6 μm， which exceeds than the process requirement， by simply adjusting parameters. Moreover， the analysis of the hole wall morphology showed that the drilling quality was excellent. By increasing the laser pulse repetition frequency， the microstructure near the hole wall gradually coarsens. However， there is no obvious recast layer or heat-affected zone， which is necessary to realize the relatively “cold” processing for high-precision micro holes. This study provides a theoretical basis for the fabrication of special-shaped micro holes using the high atomization effect. 激光技术 飞秒激光 镍基高温合金 微孔 加工质量 laser technology femtosecond laser nickel base superalloy micro hole processing quality 1 引 言 1 镍基高温合金因其具有优异的机械性能、良好的蠕变强度和高温性能而广泛用于工业涡轮机和飞机发动机中涡轮叶片、燃烧室、喷油装置等关键零部件的制造 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。目前，随着大推重比发动机需求的日益提高，对发动机燃油燃烧效率提出了更高需求。通常，提高航空发动机燃烧效率的一个重要手段是制造出高质量的喷油孔，喷油孔的尺寸精度以及内壁质量将直接影响发动机的燃烧效果。目前，微孔制造的工艺主要有机械钻孔、电火花打孔、激光钻孔等。相较于其他方式，激光钻孔主要依靠其极高的功率密度，导致局部材料熔化和蒸发以去除材料 ［ 3 3 - 4 4 3-4 ］ 。因此，激光钻孔工艺具有较高的尺寸精度以及加工效率。然而，对于所有长脉冲高功率激光钻孔，重铸层和热影响区是不可避免的，因为材料去除机制以熔体喷射为主。由于重铸层冷却速度快，容易产生微裂纹，并可能延伸到基体中，从而影响微孔性能，缩短使用寿命 ［ 5 5 ］ 。 为了避免这种现象的出现，科研人员已经将飞秒激光用于微孔的制造，飞秒激光具有在几乎任何材料上加工微小结构的优点，并且几乎无热影响区 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ 。由于这种加工特性，超快激光制造微孔的质量较高。这是由于与长脉冲激光加工相比，飞秒激光加工具有超短脉冲和极高的功率密度，对于金属材料而言，自由电子先通过逆轫致辐射效应吸收光子能量，然后通过电子－声子耦合将能量传递至晶格，晶格在100 ps的时间尺度上建立热平衡。而此时激光脉冲作用已结束，所以由激光辐照区到周围的热传递几乎可以忽略 ［ 8 8 ］ 。 此外，目前常见的脉冲激光钻孔方式有：冲击钻孔、环形钻孔和平面螺旋钻孔（如 图1 图1 所示）。冲击钻孔的直径与激光束的光斑大小和能量密度密切相关，孔径通常略大于光斑直径。激光环形钻孔是一种利用脉冲激光沿微孔外圈对孔进行加工的工艺，实际上是利用多个单脉冲激光对孔进行加工。使用激光环形钻孔可以在工件上加工出与激光扫描路径相似的孔型。相较于冲击式钻孔，由于激光束与工件之间有一定的相对运动，所以环形钻孔制备出的孔径通常较大。 相较于传统的冲击式钻孔和环形钻孔，激光平面螺旋钻孔的激光光斑由微孔中心出发，以螺旋线形式进行运动最终到达微孔边缘。因此，螺旋平面钻孔可以在材料内部形成更宽的空腔。这些大尺寸的空腔可以有效地为钻孔过程中产生的碎屑以及等离子体等粒子提供排除通道，从而可以去除更多的材料。同时，激光平面螺旋钻孔可以实现激光功率在孔表面均匀地分布，减少激光脉冲在材料同一位置的作用时间，提高制孔精度 ［ 9 9 ］ 。在加工完一层材料后激光焦点下移一定距离后再次重复进行加工。通常，由于冲击式钻孔不需要复杂的参数匹配，钻孔效率最高。但考虑到制孔质量，冲击式钻孔的钻孔质量较差，而平面螺旋钻孔的精度和质量相对较好，环形钻孔的效率与质量介于二者之间 ［ 10 10 ］ 。 目前关于飞秒激光平面螺旋钻孔的研究多停留在单工艺参数对制孔质量的影响上，没有系统地对各个参数之间的匹配关系进行梳理。因此，为推动飞秒激光平面螺旋制孔技术在发动机供油喷嘴直通孔制造中的应用，需提出一套完整的飞秒激光平面螺旋钻孔的工艺优化方案。针对某型号航空发动机环形供油装置微孔制备工艺中的：圆形直通孔、孔深1.5 mm、孔壁粗糙度 S a 低于1 μm等实际设计要求。本文以研究平面螺旋钻孔过程中影响微孔质量的主要因素为目的，设计出多组正交试验，得到多工艺参数交互作用对微孔孔形的影响规律。此外，本文进一步研究了不同工艺参数对为孔内壁粗糙度的影响规律，并且通过调节参数匹配，有效降低了微孔内部的粗糙度，成功制备出了形状可控，粗糙度可控且无明显重铸层的高质量微孔，避免了繁琐的后续处理过程。 2 实验设计 1 2.1　实验材料 2 本次实验材料选用商用GH3044镍基高温合金板材，使用激光切割将材料制成长30 mm、宽20 mm、厚1.5 mm的平板以进行实验，试板表面粗糙度 S a 约为4.0 μm，平行度约为0.01 mm。材料的主要化学成分如 表1 表1 ［ 11 11 ］ 所示。激光制孔前用酒精擦拭板材表面，以去除表面油污，减小实验误差。 C Cr Ti W Mo Al Fe Ni ≤0.10 25.00 0.50 15.00 ≤1.50 ≤0.50 4.00 Bal. wt % 2.2　实验设备及方案 2 本文选用商业五轴飞秒激光微孔加工设备进行激光制孔实验。飞秒激光器可提供200 fs脉宽的激光，最大脉冲能量为200 μJ，工作波长为1 030 nm，最大重复频率为600 kHz。该激光器具有最大20 W的可调功率范围，激光光束的功率密度分布为高斯分布。 本研究采用夹具将样品固定在 XY 移动平台上，通过 XY 移动平台调整加工位置。然后， Z 向移动模块带动平面螺旋钻头以固定距离逐层进给，从而实现圆柱孔的加工。本文使用的激光平面螺旋钻头的原理是旋转光楔扫描模块，设备整体光路示意图如 图2 图2 所示，通过该模块的旋转即可控制激光路径的平面螺旋变化。本研究整个钻孔过程均在室温下进行，使用压力为0.6 MPa的同轴压缩空气作为辅助气体，以去除加工过程中产生的碎屑和等离子体。 2.3　微观形貌观察 2 在制孔过程结束后将平板放入超声清洗机中清洗5 min，以去除表面残留物。吹干后采用工业显微镜进行对入口孔径、出口孔径的测量。为避免电火花线切割对微孔造成污染，直接利用自动磨抛机逐渐将试板磨削至孔的中径位置。随后放入超声清洗机清洗30 min后通过激光共聚焦显微镜（OLYMPUS OLS-3000）观察剖开后小孔内壁形貌，试样具体制备方式示意图如 图3 图3 所示。在进行组织分析时，对试板进行冷镶后在自动磨抛机上逐渐将试板磨削至孔的中径位置。随后使用王水（HNO 3 ∶HCl=1∶3）对小孔附近区域以及基体进行金相腐蚀10 s，腐蚀后的样品通过（KEYENCE VHX-1000E）超景深显微镜观察显微组织。 3 实验结果分析及讨论 1 3.1　激光制孔多参数影响规律 2 飞秒激光平面螺旋钻孔是一个多参数耦合的非线性过程，探究耦合作用下各参数和微孔质量之间的映射关系是建立飞秒激光平面螺旋钻孔成形演化模型的关键 ［ 12 12 ］ 。影响微孔质量的因素有很多，通过查阅文献资料发现，对飞秒激光微孔孔径、锥度、加工效率影响较大的参数分别为激光功率、单层扫描时间、单层进给量、离焦量和重复频率。由于参数较多，若每个参数选择4个变量进行全面实验，则共需要进行5 4 =625次实验。因此，本实验选用正交试验的方法以实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，并达到最佳生产工艺效果。实验设计五因素、四水平正交实验，实验因素水平表与实验方案表分别如 表2 表2 和 表3 表3 所示。其他设备固定参数如下：目标孔径 D =390 μm，光楔扫描模块旋转速度2 400 r/min，单层加工螺旋线扫描圈数为20圈。此外，为降低结果误差，对实验方案中的所有参数组合进行3次实验，取3次测量结果的平均值作为最终结果。 Level Laser power/W Scanning time/ms Amount of feeding/mm Defocus amount/mm Repeat frequency/kHz 1 4 200 0.01 0.8 100 2 8 400 0.02 0.4 200 3 12 800 0.03 0 400 4 16 1 200 0.04 -0.4 600 Serial number Laser power /W Scanning time /ms Amount of feeding /mm Defocus amount /mm Repeat frequency /kHz 1 4 200 0.01 0.8 100 2 4 400 0.02 0.4 200 3 4 800 0.03 0 400 4 4 1 200 0.04 -0.4 600 5 8 200 0.02 0 600 6 8 400 0.01 -0.4 400 7 8 800 0.04 0.8 200 8 8 1 200 0.03 0.4 100 9 12 200 0.03 -0.4 200 10 12 400 0.04 0 100 11 12 800 0.01 0.4 600 12 12 1 200 0.02 0.8 400 13 16 200 0.04 0.4 400 14 16 400 0.03 0.8 600 15 16 800 0.02 -0.4 100 16 16 1 200 0.01 0 200 实验结束后，对样品进行处理并进行数据统计，整理出各个工艺参数对入口孔径、出口孔径、锥度、加工效率的影响，计算出各个参数对上述指标影响的平均值和极差，极差的大小可以等效成为该参数对微孔质量影响的能力大小。 表4 表4 为各工艺参数对入口孔径的影响，可以看出，5组参数中极差最大的参数是离焦量，其次是功率与单层扫描时间，最后是单层进给量与重复频率，这表明对入口孔径影响最大的因素为离焦量。具体观察离焦量因素可以发现，当离焦量由正离焦（ f > 0）降低至负离焦（ f < 0）时，入口孔径逐渐降低。这主要是由于本实验所用飞秒激光器产生能量呈高斯分布的圆形光斑，焦点处的能量密度最高光斑最小。当激光离焦量较大时，试样上表面的光斑面积也相应较大，在合理的离焦范围内这部分达到材料烧蚀阈值的激光会导致材料的烧蚀范围增大。由于本文微孔加工方式为逐层加工，激光焦点位置逐渐下移，随着离焦量的降低，光斑面积减小，导致烧蚀范围减小。综上，离焦量的增加会直接影响激光平面螺旋过程的最外圆的直径，进而影响入口孔径 ［ 13 13 ］ 。因此，在其他参数恒定的状态下，调节入口孔径的最有效方法为调节离焦量。 Level average Laser power /W Scanning time /ms Amount of feeding /mm Defocus amount /mm Repeat frequency /kHz k1 0.367 0.368 0.37 0.439 0.371 k2 0.364 0.364 0.367 0.39 0.37 k3 0.37 0.371 0.372 0.344 0.37 k4 0.378 0.377 0.37 0.306 0.369 Range 0.014 0.013 0.005 0.133 0.002 表5 表5 为各工艺参数对出口孔径的影响，从表中可以看出，极差最大的因素为功率，其次为单层进给量和离焦量，最后为重复频率和单层扫描时间，这表明对出口孔径影响最大的因素为激光功率。并且随着功率的增加，出口孔径逐渐增大。这主要是由于激光钻孔过程中，随着焦点下移，微孔内部的能量密度逐渐升高，并且部分激光在孔内会由于等离子体发散作用辐照到孔壁，高功率情况下的能量密度会大于材料的烧蚀阈值，导致材料的去除，进而导致出口孔径增大。 Level average Laser power /W Scanning time /ms Amount of feeding /mm Defocus amount /mm Repeat frequency /kHz k1 0.171 0.306 0.321 0.316 0.322 k2 0.294 0.27 0.285 0.292 0.269 k3 0.297 0.251 0.268 0.271 0.264 k4 0.336 0.261 0.215 0.209 0.233 Range 0.155 0.055 0.106 0.107 0.089 此外，本实验的通孔加工过程初期产生的气体和等离子体容易被推出微孔。然而，随着孔的加深，它们会在孔内积聚并形成强烈的反冲压力 ［ 14 14 ］ 。当功率较低时，产生的反冲压力不足以将碎片和颗粒及时地推出微孔，这可能导致后续激光能量的强烈吸收和反射，这种现象会极大地影响激光加工的效率。当加工功率足够高时，由于反冲压力的增加，碎片和颗粒可以被推出孔外，大大减少了进一步加工的负面影响。但较大的激光功率会造成孔边缘烧蚀较为严重，影响微孔质量。因此，应同时考虑样品厚度和加工效率等因素，选择合适的功率。 通过对上述实验结果进行整理可以得到各个工艺参数对微孔锥度的影响规律。本文中对锥度 α 的定义如式（11）所示： <math display="block" id="M1"><mi>α</mi><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>h</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">180</mn></mrow><mrow><mi>π</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665169&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665165&type= 36.99933624 9.22866726 ， 其中：Δ D 为入口孔径与出口孔径的差， h 为板厚，本文为1.5 mm， α 为小孔锥度， α < 0为倒锥， α > 0为正锥。 表6 表6 为各参数对锥度的影响，从表中可以看出，功率对锥度影响较大，其次是单层进给量与重复频率，而单层扫描时间与离焦量对锥度影响较小。调节锥度应首先调节功率以及单层进给量。在实际加工过程中，影响锥度的主要因素为出口孔径，结合上述分析，提高功率能够增加微孔底部材料对激光能量的吸收，进而使出口孔径增大并接近入口孔径，而提高功率对入口孔径影响并不明显，因此微孔锥度降低。 Level average Laser power /W Scanning time /ms Amount of feeding /mm Defocus amount /mm Repeat frequency /kHz k1 3.739 1.173 0.94 2.355 0.943 k2 1.334 1.79 1.579 1.876 1.915 k3 1.399 2.291 1.986 1.385 2.025 k4 0.992 2.21 2.959 1.848 2.581 Range 2.747 1.118 2.019 0.97 1.638 此外，为了在实际加工过程中提升加工效率，实验分析了各个工艺参数对加工时长的影响。从 表7 表7 中可以看出，激光功率对加工时长的影响较为明显，其次为重复频率与单层扫描时间，单层进给量与离焦量对加工效率影响较小。功率越大，加工时间越短，功率越小，加工时间越长。这主要是由于高功率所带来的高能量密度会加快材料的去除效率。因此，在追求高效制孔的情况下，应首先考虑高功率加工。 Level average Laser power /W Scanning time /ms Amount of feeding /mm Defocus amount /mm Repeat frequency /kHz k1 181.5 55 61.25 67 49.25 k2 52.5 52 58.75 60 45.75 k3 46 92 87.25 83 94.25 k4 28 109 100.75 98 118.75 Range 153.5 57 42 38 73 综上，调节离焦量对入口孔径的影响较为明显；在对出口孔径进行控制时，首先应当对功率和进给量进行调节；调节锥度的首选调节参数仍是功率和进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述规律，在经过大量工艺试验后，制备出了目标孔径为390 μm的直通孔，通孔的入口、出口形貌如 图4 图4 所示（红色为直径测量辅助圆）。入口孔径与出口孔径相差约0.6 μm、锥度小于0.5°。此外，测量微孔圆度约为99.68%，满足工艺要求，圆度计算方法为微孔最大内切圆和最小外接圆直径的比值。从图中可以看出，微孔的质量较高，圆度和边缘效果也较好，孔周围附着物较少（彩图见期刊电子版）。 3.2　内壁精度优化 2 微孔制备的另一个技术难点在于孔壁粗糙度的控制，本研究在制备出孔型质量较高的通孔后，对试样进行处理以观察微孔内壁情况。如 图5 图5 所示，孔壁上常常会存在竖向条纹，影响孔壁的粗糙度，检测线的位置不同，测量的线粗糙度会存在差异。若检测线横跨竖向条纹，则线粗糙度较大，在 R a 为1.5 μm左右；若检测线位于竖向条纹之间，则线粗糙度略小，在 R a 在0.6~1.0 μm之间，不同的测量方式误差较大。 因此，本研究采取面粗糙度的表示方法来对孔壁粗糙度进行表征。为系统研究不同工艺参数对微孔内壁粗糙度的影响，针对上述5种工艺参数进行单变量微孔加工实验，并对加工后的微孔中部进行内壁粗糙度测量，结果如 图6 图6 所示。从图中可以看出，在本实验条件下，控制其他参数不变时，单独增加功率、单层进给量，重复频率，微孔内壁粗糙度呈上升趋势。而增加单层扫描时间，离焦量，微孔内壁粗糙度呈先降低后升高的趋势。综上，在本试验条件下，降低功率，重复频率以及单层进给量导致微孔侧壁粗糙度降低；而过短或过长的单层扫描时间会增加粗糙度；为保证粗糙度较低，不应采取离焦加工策略。但通过观察图中数据可以得出，微孔内壁粗糙度 S a 最低仅为2 μm左右，略大于设计需求，因此还需寻找其他工艺方法以进一步降低粗糙度水平。 由于飞秒激光微加工主要是通过脉冲能量在材料表面的积累来实现的，而采用平面螺旋打孔方式进行加工时相邻的两条螺旋线会相互影响，存在一种区间区域。如 图7 图7 所示，加工螺旋线重叠率高的材料时，两条螺旋线之间的脉冲效应会更大，从而导致激光能量在间隔区域的重复作用。加工区域会吸收足够多的能量，能量可能远高于材料的阈值，破坏材料的表面 ［ 15 15 ］ ，增加中心部位材料的去除率，进而为后续材料的加工提供逸散通道。由于本研究控制激光光斑旋转角速度相同，当加工到微孔边缘时，光斑线速度增大，此时激光能量较为分散，不会产生较为严重的烧蚀现象，这种加工方式会导致形成连续表面并有助于获得质量较好的通孔。然而，当线重叠率相对较低时，由于相邻两条螺旋线之间的影响最小，吸收的能量大部分无法有效地去除微孔底部的材料，若持续加工，孔内烧蚀不完全，虽孔径区别不大，但会显著影响加工质量。针对孔径为390 μm的通孔，本文通过高精度激光螺旋扫描模块设置40圈单层螺旋线变半径圈数，相较于20圈的变半径圈数，飞秒激光能够完整地烧蚀全部微孔加工区域。 进一步地，为了降低微孔内壁粗糙度，我们在实验过程中发现当单层扫描时间、变半径圈数和旋转速度满足关系（单层扫描时间=旋转速度×变半径圈数）时，竖向条纹深度可以得到显著降低。这主要是由于当上述3个参数匹配时，激光束能够在确定的单层扫描时间内完整地加工完一层材料，确保每一层的加工都较为均匀，无竖向条纹产生。当变半径圈数调整为40圈时，仍存在竖向条纹，但条纹深度相较于上述实验有所降低，孔壁面粗糙度 S a 约为1.5 μm；参数匹配后，无明显竖向条纹，面粗糙度 S a 降低至0.6 μm（如 图8 图8 所示）。 1;2; 3.3　微孔加工机理及微观组织观察 2 通常，激光与金属的作用过程按照时间顺序可分为材料中的自由电子吸收激光能量；电子-声子能量耦合；材料的去除三个步骤。首先，由于金属材料中存在大量的自由电子，在激光能量的作用下，这些自由电子会发生高频振动，这时，振动产生的能量会通过声子传递给附近的晶格，晶格吸收的能量转换成热量在材料内扩散，当热量足够使材料达到烧蚀阈值时会产生等离子体飞溅以及相爆炸等现象，即可达到材料去除的目的。通常，自由电子吸收激光能量的时间为10 - 15 s，自由电子将能量传递给晶格的时间大约为10 - 12 s，而飞秒激光的脉宽小于10 - 13 s，即飞秒激光的脉冲时间要远小于电子和晶格的弛豫时间 ［ 16 16 ］ 。此外，由于飞秒激光的脉冲持续时间极短，远小于热扩散时间（约100 ps），与材料作用时几乎不向周围材料传递能量。并且飞秒激光的能量密度极高，激光加工区域的材料将瞬间吸收能量后温度急剧上升，材料发生电离产生等离子体。此外，孔内部还会有部分材料通过液相爆破的方式以亚微米级甚至纳米级颗粒形态离开基体。这种极少的热传递会导致材料不会积累过多的热量 ［ 8 8 ， 17 17 - 18 18 17-18 ］ 。 结合上述飞秒激光特性研究，我们对不同重复频率下微孔孔壁处与基体进行了组织分析，以探究高重频下飞秒激光对材料带来的热积累效应，结果如 图9 图9 所示。从图中可以看出，孔壁边缘较为光滑，在经过腐蚀后，孔壁与基体的微观组织类型基本无明显变化。但值得注意的是，随着重复频率由100 kHz上升到600 kHz，孔壁附近材料的热积累增多，导致孔壁附近材料的组织逐渐粗化。但孔边缘的晶粒始终呈“切开”状态，并且在激光重复频率不同的情况下微孔无明显重铸层以及微裂纹，这同时也证明了飞秒激光的相对“冷加工”特点。 1,2;3,4; 4 结 论 1 本文针对某型号航天器供油装置喷油孔的精密加工，开展了不同工艺参数下的镍基高温合金飞秒激光制孔工艺研究，以390 μm为目标孔径，采用1.5 mm厚平板，系统地分析了孔型、孔壁粗糙度、微观组织等随工艺参数的变化规律。得出的主要结论如下： （1）对于飞秒激光螺旋平面钻孔，调节离焦量对入口孔径的影响较大；在对出口孔径及锥度进行控制时，应优先对激光功率和单层进给量进行调整；对加工效率影响较为明显的参数为激光功率。 （2）成功制备出入口孔径与出口孔径相差约0.6 μm、锥度小于0.5°的通孔。降低激光功率，脉冲重复频率以及单层进给量会导致微孔侧壁粗糙度降低；而过长及过短的单层扫描时间会导致激光入射能量过多（不足），进而增加粗糙度；无离焦量时，微孔侧壁粗糙度较低。观察其孔壁发现竖向条纹存在，通过变半径圈数匹配可有效降低孔内竖向条纹深度，粗糙度 S a 由1.5 μm降低至0.6 μm。 （3）对微孔孔壁附近以及基体材料的微观组织分析表明，飞秒激光制孔可获得无重熔层、无明显热影响区的小孔，微孔边缘微观组织随脉冲频率增加略有粗化，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。 参考文献 FENGYUN ZHANG . Experimental study of nickel-based superalloy IN792 with femtosecond laser drilling method ［J］. Optics & Laser Technology ， 2021 ， 143 ： 107335 . doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107335 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107335 Experimental study of nickel-based superalloy IN792 with femtosecond laser drilling method 杨薇 . 飞秒激光加工镍基高温合金微孔试验研究 ［J］. 电加工与模具 ， 2021 （ 4 ）： 56 - 60 . doi: 10.3969/j.issn.1009-279X.2021.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-279X.2021.04.010 飞秒激光加工镍基高温合金微孔试验研究 YANG W . Experimental study on femtosecond laser micro hole machining of nickel-based superalloy ［J］. Electromachining & Mould ， 2021 （ 4 ）： 56 - 60 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-279X.2021.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-279X.2021.04.010 Experimental study on femtosecond laser micro hole machining of nickel-based superalloy WENQIANG DUAN . Electrochemical corrosion assisted laser drilling of micro-hole without recast layer ［J］. Optik ， 2020 ， 202 ： 163577 . doi: 10.1016/j.ijleo.2019.163577 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163577 Electrochemical corrosion assisted laser drilling of micro-hole without recast layer 徐思佳 ， 于颜豪 ， 陈岐岱 . 基于水辅助的飞秒激光碳化硅微孔加工（特邀） ［J］. 光子学报 ， 2021 ， 50 （ 6 ）： 74 - 78 . 基于水辅助的飞秒激光碳化硅微孔加工（特邀） XU S J ， YU Y H ， CHEN Q D . Water-assisted femtosecond laser silicon carbide micro-hole machining（invited） ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 6 ）： 74 - 78 . （in Chinese） Water-assisted femtosecond laser silicon carbide micro-hole machining（invited） ZHANG Q ， SUN S F ， ZHANG F Y ， et al . A study on film hole drilling of IN718 superalloy via laser machining combined with high temperature chemical etching ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2020 ， 106 （ 1 ）： 155 - 162 . doi: 10.1007/s00170-019-04541-0 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-019-04541-0 A study on film hole drilling of IN718 superalloy via laser machining combined with high temperature chemical etching 马玉平 ， 张遥 ， 魏超 ， 等 . 飞秒激光抛光CVD金刚石涂层表面 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 1 ）： 164 - 171 . doi: 10.3788/ope.20192701.0164 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192701.0164 飞秒激光抛光CVD金刚石涂层表面 MA Y P ， ZHANG Y ， WEI CH ， et al . Surface polishing of CVD diamond coating by femtosecond laser ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 1 ）： 164 - 171 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192701.0164 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192701.0164 Surface polishing of CVD diamond coating by femtosecond laser 张成云 ， 刘海英 ， 满文庆 ， 等 . 飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构 ［J］. 光学 精密工程 ， 2017 ， 25 （ 12 ）： 3063 - 3069 . doi: 10.3788/ope.20172512.3063 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172512.3063 飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构 ZHANG CH Y ， LIU H Y ， MAN W Q ， et al . Femtosecond laser induced surface micro-and nano-structures by orthogonal scanning processing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 12 ）： 3063 - 3069 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172512.3063 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172512.3063 Femtosecond laser induced surface micro-and nano-structures by orthogonal scanning processing CHANGLONG ZHENG . Crack behavior in ultrafast laser drilling of thermal barrier coated nickel superalloy ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2020 ， 282 ： 116678 . doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116678 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116678 Crack behavior in ultrafast laser drilling of thermal barrier coated nickel superalloy Z L LI . Study on UV laser machining quality of carbon fibre reinforced composites ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing ， 2010 ， 41 （ 10 ）： 1403 - 1408 . doi: 10.1016/j.compositesa.2010.05.017 http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2010.05.017 Study on UV laser machining quality of carbon fibre reinforced composites LEE H M ， CHOI J H ， MOON S J . Determining the machining parameters for femtosecond laser helical drilling of aluminosilicate glass substrate ［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing ， 2017 ， 18 （ 7 ）： 923 - 930 . doi: 10.1007/s12541-017-0109-1 http://dx.doi.org/10.1007/s12541-017-0109-1 Determining the machining parameters for femtosecond laser helical drilling of aluminosilicate glass substrate 谢孟芸 ， 汪诚 ， 张佩宇 ， 等 . 无保护层激光冲击对GH3044涡轮机匣围观组织和性能的影响 ［J］. 红外与激光工程 ， 2018 ， 47 （ 4 ）： 161 - 167 . doi: 10.3788/irla201847.0406005 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0406005 无保护层激光冲击对GH3044涡轮机匣围观组织和性能的影响 XIE M Y ， WANG CH ， ZHANG P Y ， et al . Effects of LSPwC on microstructure and properties of GH3044 turbine case ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 4 ）： 161 - 167 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201847.0406005 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0406005 Effects of LSPwC on microstructure and properties of GH3044 turbine case 李效基 ， 董一巍 ， 殷春平 ， 等 . 飞秒激光螺旋加工小孔几何参数演化实验研究 ［J］. 中国激光 ， 2018 ， 45 （ 5 ）： 102 - 111 . doi: 10.3788/cjl201845.0502008 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201845.0502008 飞秒激光螺旋加工小孔几何参数演化实验研究 LI X J ， DONG Y W ， YIN CH P ， et al . Geometric parameters evolution experiment of hole during femtosecond laser helical drilling ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2018 ， 45 （ 5 ）： 102 - 111 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl201845.0502008 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201845.0502008 Geometric parameters evolution experiment of hole during femtosecond laser helical drilling 王杰 ， 陆涛 ， 滕跃飞 ， 等 . 离焦量对飞秒激光制孔影响的研究 ［J］. 应用激光 ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 380 - 386 . 离焦量对飞秒激光制孔影响的研究 WANG J ， LU T ， TENG Y F ， et al . Research on the effect of defocusing amount on femtosecond laser drilling ［J］. Applied Laser ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 380 - 386 . （in Chinese） Research on the effect of defocusing amount on femtosecond laser drilling 杜晓婷 ， 段文强 ， 王恪典 ， 等 . 靶材背面辅助材料影响激光打孔重铸层分布的实验研究 ［J］. 西安交通大学学报 ， 2017 ， 51 （ 8 ）： 128 - 135 . 靶材背面辅助材料影响激光打孔重铸层分布的实验研究 DU X T ， DUAN W Q ， WANG K D ， et al . Experimental investigation of recast layer distribution affected by auxiliary target back materials during laser drilling ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University ， 2017 ， 51 （ 8 ）： 128 - 135 . （in Chinese） Experimental investigation of recast layer distribution affected by auxiliary target back materials during laser drilling LIU Y S ， ZHANG R H ， LI W N ， et al . Effect of machining parameter on femtosecond laser drilling processing on SiC/SiC composites ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 96 （ 5 ）： 1795 - 1811 . doi: 10.1007/s00170-017-1163-7 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-017-1163-7 Effect of machining parameter on femtosecond laser drilling processing on SiC/SiC composites 许东华 ， 宋超 ， 赵上勇 ， 等 . 磁约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究 ［J］. 光子学报 ， 2018 ， 47 （ 8 ）： 88 - 94 . doi: 10.3788/gzxb20184708.0847012 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20184708.0847012 磁约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究 XU D H ， SONG CH ， ZHAO SH Y ， et al . Magnetic confinement effect on femtosecond laser-induced copper plasma ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2018 ， 47 （ 8 ）： 88 - 94 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20184708.0847012 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20184708.0847012 Magnetic confinement effect on femtosecond laser-induced copper plasma 赵清亮 ， 姜涛 ， 董志伟 ， 等 . 飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理 ［J］. 机械工程学报 ， 2010 ， 46 （ 21 ）： 172 - 177 . doi: 10.3901/jme.2010.21.172 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2010.21.172 飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理 ZHAO Q L ， JIANG T ， DONG ZH W ， et al . Ablation threshold and material removal mechanisms of SiC processed by femtosecond laser ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2010 ， 46 （ 21 ）： 172 - 177 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2010.21.172 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2010.21.172 Ablation threshold and material removal mechanisms of SiC processed by femtosecond laser 李志明 . 飞秒激光对硅材料的非热烧蚀效应研究 ［D］. 长沙 ： 国防科技大学 ， 2017 . 飞秒激光对硅材料的非热烧蚀效应研究 LI ZH M . Non-thermal Ablation Effect on Silicon Induced by Femtosecond Laser Irradiation ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2017 . （in Chinese） Non-thermal Ablation Effect on Silicon Induced by Femtosecond Laser Irradiation 10.37188/OPE.20233106.0849 TN249 A 1004-924X（2023）06-0849-11 王旭,张子浩,李俐群等.镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工[J].光学精密工程,2023,31(06):849-859. 王旭,张子浩,李俐群等.镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工[J].光学精密工程,2023,31(06):849-859. WANG Xu,ZHANG Zihao,LI Liqun,et al.Femtosecond laser precision machining of fuel injection holes in nickel-based superalloys[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(06):849-859. WANG Xu,ZHANG Zihao,LI Liqun,et al.Femtosecond laser precision machining of fuel injection holes in nickel-based superalloys[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(06):849-859. 先进焊接与连接国家重点实验室自主研究课题项目资助 2022-08-28 2022-11-01 2023-03-25 2023-03-25 光学精密工程 6 31