【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光加工应用，具体涉及一种利用飞秒激光诱导产生等离子体提高金属微孔孔壁质量的方法。
技术介绍
1、在航空航天制造产业里，涡轮是航空发动机的重要组成部件，其叶片的工作环境特别严苛，且叶片在燃烧后经受高温和高压气体，因此，涡轮叶片的冷却技术是提升发动机性能的关键技术，气膜冷却孔技术是涡轮叶片冷却技术的代表性改进技术之一；然而对气膜冷却孔的质量要求极高，加工出来的气膜孔不允许有重铸层和微裂纹，并且这些气膜孔要具有较好的一致性。
2、目前，在提高气膜冷却微孔孔壁质量的方法方面，除了传统的机械钻孔加工、电化学加工、电火花加工、超声加工以及长/短脉冲激光加工外，还有超短脉冲激光加工金属微孔工艺(sun t,fan zj,sun xm,ji yc,zhao wq,cui jl,et al.femtosecond laserdrilling of film cooling holes:quantitative analysis and real-time monitoring[j].journal ofmanufacturing processes.2023,104(2):59-75.)，它具备独特的超短脉冲、超强特性，能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强。虽然超短脉冲激光加工金属微孔工艺加工的金属微孔的孔壁质量相比于传统的微孔加工工艺的孔壁质量有热影响区小、无重铸层等优势，但往往为了提高加工效率，使用高功率的超短脉冲激光加工微孔，存在着因为高激光功率超过介质的临界功率出现多丝竞争的现象，造成孔壁材料的不规则去除；另外
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种利用飞秒激光诱导产生等离子体提高金属微孔孔壁质量的方法，在几乎不损伤金属微孔孔壁结构的前提下，利用飞秒激光在蒸馏水中诱导的等离子体和“空化效应”实现对金属微孔孔壁的修整，使得孔壁无沉积纳米颗粒、无重铸层、无裂纹，孔壁粗糙度减小，表面质量得到提高。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种利用飞秒激光诱导产生等离子体提高金属微孔孔壁质量的方法，包括以下步骤：
4、1)搭建飞秒激光诱导等离子体修整孔壁装置，使金属片能够浸没于溶液环境；
5、2)飞秒激光空气中加工金属片预制微孔；设置飞秒激光的单脉冲能量为1.0～2.0mj，激光的离焦量为-2.0～-1.0mm，扫描速度为100～200μm/s；
6、3)创建激光诱导产生等离子体的溶液环境；
7、4)调节飞秒激光的工艺参数，调整飞秒激光单脉冲能量为1.0mj～2.0mj,激光焦点在溶液下面1.0～2.0mm处，通过分段加工即先加工孔壁底部后加工孔壁顶部方式进行激光诱导等离子体修整。
8、所述的步骤1)中飞秒激光诱导等离子体修整孔壁装置包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出的光束依次经过反射镜、半波片4、格兰泰勒棱镜5、聚焦透镜8后垂直照射水槽9的上方加工区域，水槽9固定在三维运动载物台10上；飞秒激光器1、三维运动载物台10分别经pci总线和电脑11连接。
9、所述的飞秒激光器1的脉冲宽度为120fs，重复频率为1khz，中心波长为800nm，光束质量为m2≤1.3。
10、所述的三维运动载物台10是一个电控μfab移动平台，其运动范围≥100mm×100mm×4.8mm，x/y同轴精度≤1.5μm(±0.75μm)，x/y轴双向重复精度≤0.08μm(±0.04μm)，x/y轴最大移动速度≥300mm/s，x/y/z轴同时联动。
11、所述的步骤2)具体为：将金属片固定在没有盛水的水槽9内部，利用电脑11控制飞秒激光器按照选定的激光工艺参数进行金属的预制孔加工。
12、所述的步骤3)具体为：向水槽9中加入蒸馏水，使蒸馏水的液面高度和步骤2)飞秒激光空气中加工金属预制微孔的上表面平齐。
13、所述的步骤4)具体为：电脑11控制飞秒激光器1按照选定的激光工艺参数对步骤2)飞秒激光空气中加工金属预制微孔的孔壁进行加工。
14、本专利技术的原理是：激光诱导溶液产生等离子体后，等离子体吸收后续入射激光的能量，并将这些能量转化为热能和机械能等形式的能量去除在等离子体作用范围内的材料；在等离子体高速向外膨胀时，也会诱导出空化气泡，空化气泡溃灭时产生的冲击波和微射流，也会对孔壁表面形成强有力的冲击，起到促进刻蚀材料的作用，并且将从材料表面脱离的残留物及时带走，使孔壁上的材料残留再沉积物减少。
15、和现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
16、本专利技术采用的超短脉冲激光加工技术在空气中传播过程中会形成明亮的等离子体通道，其长度远远超过光学系统固有的瑞利长度，所以本专利技术在预先加工高深径比的微孔中具有显著优点。
17、本专利技术采用液体环境诱导出的等离子体方式进行二次加工微孔孔壁时，由于加工在蒸馏水环境中进行，而水相比于空气具有更大的比热容和导热系数，使得相比于利用在空气中形成的等离子加工时可以减少加工区域的热累积，且修整后的氧元素质量分数明显降低，说明该方式去除了引起孔壁质量下降的沉积型氧化烧蚀颗粒以及在空气中加工时生成的表面粗糙微结构，所以本专利技术去除孔壁内部残余熔融物及周期性条纹结构的优点。
18、本专利技术对高深径比的微孔进行水下修复时，由于水吸收激光能量而被迅速加热汽化形成微气泡，以及高温高压的等离子体向外高速膨胀时诱导出的空化气泡，这些气泡在溃灭前会发生多次循环脉动现象，并辐射出一定的冲击波作用于孔壁表面；同时，在气泡溃灭时产生的微射流也会对孔壁表面结构形成强有力的冲击，因此本专利技术具有加速刻蚀材料、减少残留碎屑的优点。
19、本专利技术采用先加工孔壁底部后加工孔壁顶部的水中修整方法，有效避免了激光对已经在水中完成修整工艺的孔壁再次直接烧蚀的情况，当溶液的高度未达到孔顶时，孔壁处的下方已经被水中诱导出的等离子体加工完成，但其上方依旧暴露在大气环境中，在上一阶段修整孔壁时不可避免地将出现激光能量的直接沉积现象，而再次加工时激光扫描的次数较少，使得激光直接烧蚀对微孔内壁的形貌结构和成分影响不大，因此本专利技术具有减少激光对孔壁烧蚀、提高孔壁质量的优点。
20、本专利技术采用的液体环境诱导出的等离子体方式进行孔壁修整前后，空气中加工出的预制孔孔壁沿轴线方向的线粗糙度在1.3μm～4.4μm，而飞秒激光诱导等离子体修整后的孔壁沿轴线方向的线粗糙度在0.41μm～0.83μm，可以二次加工出孔壁表面线粗糙度小于1μm的微孔，所以本专利技术具有明显降低孔壁的粗糙度的优点。
21、本专利技术加工精度和效果高，可直接在空气中和蒸馏水中进行，绿色环保，工艺简单，成本低，且本专利技术可适用多种金属的微孔加工，适用性广。
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1.一种利用飞秒激光诱导产生等离子体提高金属微孔孔壁质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中飞秒激光诱导等离子体修整孔壁装置包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器(1)输出的光束依次经过反射镜、半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)、聚焦透镜(8)后垂直照射水槽(9)的上方加工区域，水槽(9)固定在三维运动载物台(10)上；飞秒激光器(1)、三维运动载物台(10)分别经PCI总线和电脑(11)连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的飞秒激光器(1)的脉冲宽度为120fs，重复频率为1KHz，中心波长为800nm，光束质量为M2≤1.3。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的三维运动载物台(10)是一个电控μfab移动平台，其运动范围≥100mm×100mm×4.8mm，X/Y同轴精度≤1.5，X/Y轴双向重复精度≤0.08μm，X/Y轴最大移动速度≥300mm/s，X/Y/Z轴同时联动。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：将金属片
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的步骤3)具体为：向水槽(9)中加入蒸馏水，使蒸馏水的液面高度和步骤2)飞秒激光空气中加工金属预制微孔的上表面平齐。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：电脑(11)控制飞秒激光器(1)按照选定的激光工艺参数对步骤2)飞秒激光空气中加工金属预制微孔的孔壁进行加工。
...【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光诱导产生等离子体提高金属微孔孔壁质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中飞秒激光诱导等离子体修整孔壁装置包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器(1)输出的光束依次经过反射镜、半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)、聚焦透镜(8)后垂直照射水槽(9)的上方加工区域，水槽(9)固定在三维运动载物台(10)上；飞秒激光器(1)、三维运动载物台(10)分别经pci总线和电脑(11)连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的飞秒激光器(1)的脉冲宽度为120fs，重复频率为1khz，中心波长为800nm，光束质量为m2≤1.3。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的三维运动载物台(10)是一个电控μfab移...
【专利技术属性】
技术研发人员：董霞，刘子川，王恪典，孙晓茂，崔海滨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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