来自上海大学、北京科技大学、宁波大学、浙江大学和宁波飞纳激光科技有限公司的研究人员在Optics and Laser Technology国际期刊上发表论文Precision Processing of Nb-Si Alloy via Water-Jet Guided Laser: Realization of Inhibited-Oxidation and Small-Taper。

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论文导读

随着航空航天技术的快速发展，燃气轮机发动机的温度和推力重量比不断提高，对涡轮叶片材料的温度承载力要求更高，例如新一代涡轮叶片材料的温度将达到1850~1950 C°。目前镍基超合金的工作温度已接近1150℃的极限，因此，开发可在较高温度下使用的新材料引起越来越多的关注。其中，Nb-Si合金在其低密度（6.6~7.2 g/cm3）和高温强度方面被认为是高温下取代镍基单晶合金的潜在材料。为了提高发动机结构部件的使用寿命，需要在结构材料上加工气膜孔。但Nb-Si合金在高温下极容易氧化，传统的加工方法难以保证合金上气膜孔的有效加工。水射流引导激光技术（WJGL）作为一种混合激光处理方法，其中高压水射流不仅对加工区域进行冷却抑制氧化发生，而且可以通过水射流排出加工过程中产生的熔融物，防止了由于纳秒激光热效应而产生的加工缺陷。

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全文概述

为了实现Nb-Si合金的高精度、极小化热影响区加工，本文系统研究了WJGL加工参数对其加工质量的影响。值得注意的是，与纳秒常规激光加工相比，在WJGL功率为20 W、切割速度为5 mm/s的条件下，WJGL可以在20 s内切割宽度为10 mm、厚度为3 mm的合金试样，且水射流的持续流动抑制了激光诱导的熔融残留物，这有助于最大限度地减少热冲击，并减少切面严重的氧化，从而在加工表面只形成了厚度为数百纳米的薄重熔层，获得了表面粗糙度仅为0.8 μm的Nb-Si合金切面。更令人印象深刻的是，对于直径为1 mm、深度为3 mm的通孔，其锥度仅为0.0016 °，这是传统加工难以获得的。这些研究结果表明，WJGL是一种可行且有效的Nb-Si合金加工方法。

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图文解析

图1是WJGL与传统干法激光切割Nb-Si合金的对比图。其中图1(b)分别显示了WJGL和传统干法激光加工的两种典型切缝。左边的对应于WJGL切割，而右边的对应于传统干法激光切割。很明显，WJGL产生的切缝没有明显的锥度，而传统干法激光切割的切缝有明显的锥度和熔融物阻塞。图1(c)的SEM图像展示了WJGL切缝宽度为83 μm，两侧保持平行，没有明显的重熔层。然而，在图3(d)中显示大量的熔渣堵塞了传统干法激光切割的切缝，并且有明显的锥度，从93 μm缩小到65 μm。图3(e)显示，当WJGL的切割循环次数增加到8次时，切割深度达到了试样厚度，即3 mm。

图1 (a) WJGL和传统干法激光加工的示意图。(b)分别由WJGL和传统干法激光切割的切缝的光学显微照片。(c)和(d)分布为WJGL和传统干法激光切割的切缝的SEM图像。(e) WJGL切割切缝深度随循环次数的增加而增加，k表示激光入射方向。

图2是比较了不同加工方法，即电火花线切割、传统干法激光切割和WJGL切割的切面质量。图2(a)和(b)分别为电火花线切割和传统干法激光切割加工的切面表面形貌，由于这两种加工方法的切割过程不能有效地抑制热效应，Nb-Si合金很容易被氧化，从而导致切割表面非常粗糙。图2(c)-(f)显示了WJGL在不同水压下产生的切面。可以发现，与前两种切割方法相比，切面质量有了极大的提高。图片中看不到非常明显的重熔层和残渣，然而表面仍有轻微的裂纹和孔洞，这可能是由于切割过程中的流体不稳定机制导致的。在水导激光水射流水压较低时，由于水射流的冲刷和冷却作用较弱，表面的起伏区域和孔洞结构较为明显。而在水射流为高水压下进行加工，其切面形成了一个相对光滑的表面。

图2 (a)电火花线切割加工Nb-Si合金切面的SEM图像。(b) 传统干法激光加工Nb-Si合金切面的SEM图像。(c-f)不同水压下WJGL加工Nb-Si合金切面的SEM图像。插图为红线框内的放大图像。

图3展示了，使用三维光学轮廓仪测量不同方法切割Nb-Si合金后，切面粗糙度的对比。如(a)和(b)所示，当切割速度设定为5 mm/s时，切面更平滑，粗糙度仅为0.8 μm。而当切削速度为1 mm/s时，表面出现明显的周期性条纹。另外相比于水射流水压较低时，在较高的水压下，WJGL可以加工出粗糙度更小的切面。在图3(c)中，电火花加工切割的切面表面粗糙度为12.67 μm，这是由于在切割过程中电火花爆炸坑和重熔层，降低了切面的质量。而传统干法激光切割的切面表面粗糙度为6.35 μm，主要是由于表面氧化严重所致。

图3 (a) WJGL在30 MPa水压下切面的3D形貌。(b) WJGL在10 MPa水压下切面的3D形貌。(c)两种常规方法切面的3D形貌。

图4是采用XRD检测不同切割方法切面的图谱对比。基线（黑线）是经过机械抛光处理的合金衍射峰。WJGL加工试样(红线)的物相组成与机械抛光处理后试样几乎相同，主要含有Nbss、Nb5Si3和亚稳态Nb3Si相，无明显氧化物。然而，无论是电火花加工还是传统干法激光加工，样品中都检测到了TiO2和HfO2等多种氧化物。尤其是传统干法激光切割的样品，进一步观察到与Nb2O5、SiO2相对应的衍射峰，这可归因于传统干法激光引起的高温氧化。这一对比结果进一步证明了WJGL加工可以有效地抑制切面的氧化。

图4 不同切割方法的XRD图谱。

图5展示了一个具体的WJGL加工实例。其中(a)和(b)是扫描电镜照片，分别展示了加工出的直径为1 mm、深度为3 mm的通孔入口与出口，展示了非常好的圆度。在入口的边缘没有明显的毛刺和热影响区，只有少许未被高压水清除的熔融残留物。出口与入口的大小几乎相同，没有明显的加工缺陷。图5(c)显示了通孔侧壁的光学显微镜图像。很明显，通孔的锥度几乎可以忽略不计；入口和出口开口之间的直径差仅为10 μm，其锥度仅为0.0016°。图5(d)为WJGL加工的宽度为0.33 mm的镂空“SHU”字母，图5(e)为WJGL加工得到的“SHU”字母，字母的线宽仅仅为0.17毫米，但厚度是3毫米，深径比高达18。

图5 WJGL加工Nb-Si合金实例展示。

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总结

本文对比了电火花线切割、传统干法激光切割方法和新型WJGL切割三种切割方法加工Nb-Si合金得切割质量，得出以下结论：

1、首次报道了WJGL 加工Nb-Si合金的加工方法。通过这种加工方法，在无需移动激光焦点的情况下，可以在20 s内切割厚度为3 mm、长度为10 mm的Nb-Si合金。

2、通过对电火花线切割、传统干法激光切割和WJGL切割的Nb-Si合金切面质量进行了比较。发现WJGL切面具有抑制氧化和加工损伤的独特优势。在30 MPa的水射流压力下，WJGL切割获得了粗糙度仅为0.81 μm的优异切面。通过对比不同方法得到的加工切面XRD图谱，从WJGL加工的切面没有检测到明显的氧化物。

3、利用WJGL加工了3 mm厚的Nb-Si合金，得到了直径为1 mm的通孔，锥度仅为0.0016 °，与线宽为0.17 mm深径比为18的“SHU”字母。