飞秒激光加工钛合金微孔的形貌调控与性能优化研究

    钛合金因具备高强度、优异耐腐蚀性及高温力学性能，在航空航天领域尤其是燃气轮机叶片冷却系统中具有不可或缺的重要地位。然而，传统机械加工方法在钛合金微孔加工中面临热影响区扩大、重铸层厚度增加等技术瓶颈，严重制约了复杂冷却结构的精密制造。飞秒激光加工技术以超短脉冲（10⁻¹⁵秒级）和高峰值功率特性，为解决钛合金精密加工难题提供了创新性技术路径。印度国家技术学院研究团队针对飞秒激光加工钛合金微孔的工艺参数优化开展系统性研究，相关成果为航空发动机冷却孔的高效精密制造提供了重要理论支撑与技术参考。

    一、飞秒激光加工钛合金的技术优势与挑战分析

    钛合金（如Ti6Al4V）的低导热性（导热系数约7.2W/m·K）与高熔点（1668℃）使其成为加工难点。传统电火花加工或机械钻孔工艺会导致加工区域温度骤升，形成显著的热影响区（HAZ）与重铸层（厚度可达数十微米），进而对构件的疲劳强度与耐腐蚀性产生不利影响。飞秒激光通过极短脉冲持续时间（<100fs）实现“冷加工”效应，能量作用时间远小于材料电子声子弛豫时间，可有效抑制热扩散，理论上热影响区可控制在数微米范围内。

    然而，实际加工过程中，激光参数（能量密度、脉冲重复频率、重叠率）与材料去除机制的耦合作用机制仍有待深入研究。例如，能量密度不足会导致材料气化效率低下，能量过高则会引发熔融材料剧烈飞溅；脉冲重复频率过高会加剧热累积效应，过低则难以满足加工效率需求。研究团队通过实验设计，构建了参数形貌性能的多维度关联模型，为工艺优化提供了量化理论依据。

    二、实验设计与表征方法体系

    （一）实验材料与设备配置

    实验采用厚度为0.5mm的Ti6Al4V钛合金板材，飞秒激光加工系统选用武汉华锐精密激光HRFemtoIR5040型设备（波长1035nm，脉冲宽度50fs），配套三轴精密运动平台（定位精度±1μm）与同轴吹气装置（用于辅助排屑与加工区域冷却）。加工策略采用同心扫描模式，设定扫描线间距为0.8μm，通过逐层剥离工艺实现加工深度的精确控制。

    （二）工艺参数变量设计

    能量密度：0.44~0.63J/cm²（200μm孔径实验组）、1.78~2.29J/cm²（100μm孔径实验组）

    脉冲重复频率：1000~50000Hz

    脉冲重叠率：80%~97.5%

    （三）表征手段与分析方法

    加工后样品通过3D光学轮廓仪（垂直分辨率0.1μm）进行孔直径、深度及表面粗糙度的精密测量，利用场发射扫描电镜（FESEM）观察孔壁微观结构及重铸层形貌特征，并结合能谱分析（EDS）技术对元素分布与相变产物进行表征分析。

    三、关键实验结果与作用机制研究

    （一）能量密度对加工形貌的主导作用

    实验数据表明，当能量密度从0.44J/cm²增至0.63J/cm²时，200μm孔径实验组的孔直径由298μm扩展至453μm，孔深度从274μm增加至303μm，重铸层高度相应从15μm升至42μm（如图3a所示）。在低能量密度条件下，材料去除以“多光子吸收”气化机制为主，热影响区控制在5μm以内；当能量密度超过0.57J/cm²时，熔融材料因“相爆炸”效应剧烈喷射，导致孔壁熔融区域显著扩大，重铸层呈现典型的枝晶状微观结构（如图4c所示）。

    （二）脉冲重复频率的临界效应分析

    研究发现10kHz为脉冲重复频率的临界值：当重复频率低于10kHz时，烧蚀阈值随频率升高而降低（从0.51J/cm²降至0.44J/cm²），这归因于较长的脉冲间隔时间有利于材料气化产物的充分排出；当重复频率高于10kHz时，热累积效应导致孔周围材料软化，进而引起有效烧蚀能量密度下降，孔直径呈现减小趋势（如图2a所示）。值得注意的是，重铸层厚度随重复频率升高而持续增加，当频率达到50kHz时，重铸层厚度较10kHz时增加约60%。

    （三）重叠率对热累积效应的调控机制

    当脉冲重叠率从80%增至97.5%时，孔直径和深度分别增大12%和8%，但过高重叠率（>95%）会导致加工区域温度超过钛合金β相变点（882℃），诱发微裂纹缺陷（如图6所示）。实验确定最佳重叠率为85%，此时热累积效应与材料去除效率达到优化平衡状态，孔壁表面粗糙度Ra<1.2μm。

    四、工艺优化成果与工程应用价值

    通过正交实验设计与参数优化，获得最佳工艺参数组合：能量密度0.44J/cm²、脉冲重复频率10kHz、重叠率85%。在此条件下加工的微孔具备以下优异性能：

    直径一致性误差<3%

    深度直径比达1.2:1

    热影响区厚度<8μm

    重铸层高度<20μm

    该工艺已在某型航空发动机叶片气膜冷却孔加工中得到工程验证，与传统加工方法相比，加工效率提升40%，构件疲劳强度提高15%（10⁷次循环条件下）。研究团队指出，飞秒激光加工的“非接触式”特性使其在复杂曲面微孔加工中展现出显著优势，可实现传统工艺难以完成的梯度孔、斜向孔等复杂结构加工。

    五、未来研究方向与发展展望

    当前研究仍存在若干待突破的技术难点：

    1.多参数协同作用机制：需通过响应面模型进一步量化能量密度、重复频率与重叠率的交互作用机制

    2.动态加工监测技术：引入红外热成像与等离子体光谱技术，实现加工过程的实时智能调控

    3.表面改性集成工艺：探索飞秒激光加工与表面织构化的一体化技术，提升构件耐磨损性能

    4.三维复杂结构加工：开发螺旋扫描、变参数加工等创新策略，拓展深孔与异形孔加工能力

    相关研究成果已发表于国际期刊《Optik》（2023,274:170519），为飞秒激光技术在航空航天精密制造领域的规模化应用奠定了重要理论基础。随着超快激光技术与智能控制算法的深度融合，钛合金复杂冷却结构的“高效高精度低损伤”加工有望实现新的技术突破。