镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

王旭; 张子浩; 李俐群; 黄怡晨; 李福泉; 蔺晓超; 杨诗瑞; 郭鹏

doi:10.37188/OPE.20233106.0849

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-12

- 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
- 光学精密工程 2023年31卷第6期页码：849-859
- 作者机构：
  
  1.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
  2.北京动力机械研究所，北京 100074
- 作者简介：
  
  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
  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
- 基金信息：
  
  先进焊接与连接国家重点实验室自主研究课题项目资助
- DOI：10.37188/OPE.20233106.0849
  中图分类号： TN249
- 收稿：2022-08-28，
  
  修回：2022-11-01，
  
  纸质出版：2023-03-25
- 稿件说明：
移动端阅览
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.
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. DOI： 10.37188/OPE.20233106.0849.

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. DOI： 10.37188/OPE.20233106.0849.

摘要

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。

Abstract

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.

关键词

Keywords

references

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

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

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

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

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 .

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）

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 .

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）

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 .

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）

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

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

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

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

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

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 .

LI ZH M . Non-thermal Ablation Effect on Silicon Induced by Femtosecond Laser Irradiation ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2017 . （in Chinese）

浏览量

1224

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

氧化锆陶瓷表面减摩抗磨微织构的飞秒激光加工

超薄玻璃飞秒激光切割工艺优化与热损伤抑制

4H-SiC界面飞秒激光退火及其电学性能优化

Micro-LED芯片激光去除机理及工艺参数优化

飞秒激光电子激发标记测速在超声速混合层流动测量中的应用