一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法及装置

1.本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及到一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工装置及方法。


背景技术：

2.提高涡轮叶片的耐高温性能是提高航空发动机技术的关键，而目前主流方法是气膜冷却技术和热障涂层技术。热障涂层具有低的导热性，能降低叶片基底的温度，起到热防护的作用，同时，通过向高温气流喷入冷气，在叶片表面形成一层温度较低的冷却气膜，从而降低叶片表面的温度。
3.叶片气膜孔具有孔径小、数量多、深径比高、空间角度复杂、质量要求极高的特点，目前主要采用电火花、长脉冲激光及电液束流等方式进行加工。由于热障涂层不导电，电加工工艺无法实现加工；传统长脉冲激光会引起涂层表面脱落、裂纹、涂层崩边等缺陷；而电液束流加工效率低、孔型控制困难、电解液具腐蚀性，不易加工异型孔；电液束流-电化学、激光-电火花等复合加工方式可实现二次加工，但孔的一致性受到了一定的限制。
4.公开号cn112171184a的中国专利公布了一种叶片气膜孔的复合加工方法，先利用激光在热障涂层合金基体上钻出所需的气膜孔；然后，将高速旋转的钻头作为阴极，叶片作为阳极，钻头上下运动，对金属基体部分气膜孔进行在线电解后处理，消除钻孔过程中的残余应力、热影响区等缺陷；同时，电解液中悬浮有微小磨粒，在高速旋转的钻头带动下，对孔壁进行微小冲击划擦，产生类研磨抛光效果。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工装置及方法，从而解决了对带有热障涂层金属加工孔困难和热损伤大的难题。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，包括如下步骤：对带热障涂层金属工件进行激光打微孔，并使电解液填充微孔，冰冻微孔内的电解液使得电解液冰冻成微冰柱；带热障涂层金属工件作为阳极，网状电极作为阴极进行电化学加工微孔内壁从而消除或者减轻激光加工微孔造成的内壁热损伤。
8.上述方案中，通过激光实现带热障涂层金属工件打微孔，带热障涂层金属工件下方接触电解液，激光打孔打通的同时，在毛细力、光击穿压力变化因素作用下，电解液填充满微孔，并在带热障涂层金属工件上表面溢出，在微孔入口附近形成液滴凸起；带热障涂层金属工件上方引入深冷环境，实现微孔内电解液瞬间冰冻，激光打孔完毕，所打微孔内形成电解液冰柱，且冰柱形状与微孔内壁贴合，且在微孔入口形成微凸起。
9.上述方案中，电解液内含有碳纳米管，冰冻后碳纳米管能够形成导电网络，赋予冰
柱导电性。
10.上述方案中，采用网状电极作为阴极，与带热障涂层金属工件上表面相贴合并通过微孔入口处微凸起连接各个微冰柱；带热障涂层金属工件作阳极，接通外部直流脉冲电源，产生电流，在冰柱与微孔内壁界面上发热，冰柱逐渐融化，同时孔内壁开始电解。
11.上述方案中，带热障涂层金属工件下方引入低压环境，微冰柱完全融化后，在上下压力差的作用下，电解液开始自上而下自主流过微孔，对孔内壁进一步电解处理，同时将加工产物带走。
12.上述方案中，通过搅拌装置搅拌电解液提供低压环境。
13.上述方案中，带热障涂层金属工件为dd6镍基单晶高温合金叶片。
14.带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法的加工装置，包括光路系统、电解加工系统，供冷系统和搅拌系统，所述光路系统包括激光器、光纤和聚焦透镜；所述的激光器和光纤连接，通过聚焦透镜将激光照射到带热障涂层金属工件上，带热障涂层金属工件上端置于供冷系统内，所述电解加工系统包括直流脉冲电源、电压表、电流表和网状电极；所述直流脉冲电源正极和带热障涂层金属工件相连，负极和网状电极相连，通过电压表和电流表观察并调节电解反应；所述供冷系统包括供压装置、筒状深冷密封装置、汽化喷头和液氮储罐；所述的液氮储罐里的液氮通过供压装置的加压，经过管道输送到筒状深冷密封装置的流通孔，最后经过汽化喷头喷射到带热障涂层金属工件上方，形成了深冷环境；所述搅拌系统包括锚式搅拌装置；所述锚式搅拌装置位于加工槽正中间，当叶片高速转动时，会产生打旋现象，在带热障涂层金属工件的下方形成低压环境。
15.上述方案中，所用电解液为硝酸钠或氯化钠，质量分数为10％-30％。
16.上述方案中，所述激光器为纳秒或皮秒激光器。
17.有益效果：
18.(1)本发明在激光钻孔的同时利用毛细力和深冷环境，使含有碳纳米管的电解液在气膜孔内结冰，进而电解处理。这既有效的隔绝氧气也使冰柱精密贴合孔内壁，减少了热损伤。
19.(2)由于孔壁界面发热和低压环境，冰融化下流对孔壁进行二次电解处理，产生了抛光打磨的效果，进一步提高气膜孔内壁质量；与此同时，融化的电解液会高效带走产物。
20.(3)本发明方法高效精确，激光加工解决了常规电加工方法无法加工热障涂层问题；导电冰高效准确的电解处理解决了激光加工合金效率低和热损伤问题。
21.(4)本发明方法使得孔内壁热损伤处得到最大限度的氧气隔绝和精准的电解处理，同时，融化的电解液对热损伤处可进行二次电解处理并带走产物，从而能够得到高质量气膜孔壁。
附图说明
22.图1为本发明实施例涉及到的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工图；
23.图2为在图1的基础上增加直流脉冲电源和网状电极的示意图；
24.图3为图1中涉及到的筒状深冷密封装置结构示意图。
25.附图标记：
26.1-激光器；2-光纤；3-聚焦透镜；4-供压装置；5-筒状深冷密封装置；6-汽化喷头；7-液氮储罐；8-带热障涂层金属工件；9-加工槽；10-夹具；11-锚式搅拌装置；12-直流脉冲电源；13-电压表；14-电流表；15-网状电极；16-流动孔；17-外圆筒；18-绝缘密封胶；19-内圆筒。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.一种带热障涂层气膜孔激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，包括如下步骤：
31.步骤一、通过激光实现带热障涂层金属工件高效钻孔，且孔径小、倾斜角度、打孔位置可调；带热障涂层金属工件8下方接触电解液，激光打孔打通的同时，由于毛细力、光击穿压力变化等因素作用下，电解液填充满微孔，并在带热障涂层金属工件上表面溢出，在微孔入口附近形成液滴凸起；带热障涂层金属工件8上方引入深冷环境，实现微孔内电解液瞬间冰冻，激光打孔完毕，所打孔内形成电解液冰柱，且冰柱形状与孔内壁完美贴合，且在孔入口形成微凸起；所用电解液为特殊电解液，内部含有碳纳米管，冰冻后碳纳米管也可形成导电网络，赋予冰柱导电性；
32.步骤二、采用网状电极15作为阴极，与带热障涂层金属工件8相贴合，通过孔入口处微凸起连接各冰柱；带热障涂层金属工件8作阳极，接通外部直流脉冲电源12，产生电流，在冰柱与孔内壁界面上发热，微冰柱逐渐融化，同时内壁开始电解，消除或减轻激光加工造成的内壁热损伤；同时，带热障涂层金属工件8上方为电解液，下方引入低压环境，微冰柱完全融化后，在上下压力差的作用下，电解液开始自上而下自主流过微孔阵列，对内壁进一步电解处理，同时加工产物可高效带走。
33.本发明中激光打孔钻通的同时，电解液充满孔腔，激光在孔内狭小范围内击穿电解液，所造成的机械力将孔内壁激光软化物质高效剥离，得到的叶片气膜孔锥度小、深径比
高；同时，利用深冷环境，激光在某处打孔结束后，该空内电解液快速形成微冰柱，最大程度上隔绝了氧气，防止侧壁氧化，并进一步减小热损伤。
34.电解液中含碳纳米管，使得结冰后的电解液可以形成高电导率的导电网络。
35.利用气膜孔中生成的微导电冰柱及入口处微凸起接头，可通过柔性网状电极将微冰柱连通，形成阴极阵列，且阴极阵列形状、大小、角度、位置与气膜孔阵列完全匹配。
36.带热障涂层金属工件8为dd6镍基单晶高温合金叶片。控制电解加工参数，可控制微冰柱与气膜孔内壁界面发热，控制冰柱由外至内逐渐融化，形成电解液流动与电解后处理；控制叶片上下压力差，可控制叶片上方电解液沿气膜孔流速，对孔内壁进行二次电解处理，反复打磨抛光内壁表面。
37.一种带热障涂层气膜孔激光打孔与内壁高效电解后处理加工装置，包括光路系统、电解加工系统，供冷系统和搅拌系统，所述光路系统包括激光器1、光纤2和聚焦透镜3；所述激光器1和光纤2连接，通过聚焦透镜3将激光照射到带热障涂层金属工件8上，其中，带热障涂层金属工件8上端置于内圆筒19内侧；所述电解加工系统包括直流脉冲电源12、电压表13、电流表14和网状电极15；所述直流脉冲电源12正极和带热障涂层金属工件8相连，负极和网状电极15相连，通过电压表13和电流表14观察调节电解反应；所述供冷系统包括供压装置4、筒状深冷密封装置5、汽化喷头6和液氮储罐7；所述液氮储罐7里的液氮通过供压装置4的加压，经过管道输送到筒状深冷密封装置5的流通孔16，最后经过汽化喷头6喷射到带热障涂层金属工件8上方，形成了深冷环境；所述搅拌系统包括锚式搅拌装置11；所述锚式搅拌装置11位于加工槽正中间，当叶片高速转动时，会产生打旋现象，在加工样品8的下方形成低压环境。激光器1为纳秒或皮秒激光器。所用电解液为中性电解液，优选硝酸钠或氯化钠，质量分数为10％-30％。
38.本发明中筒状深冷密封装置5包括外圆筒17和内圆筒19，外圆筒17和内圆筒19之间通过绝缘密封胶18密封，内圆筒19侧壁上开设有流动孔16，流动孔16连通有供压装置4的输出端，一定压力的液氮经流动孔16进入汽化喷嘴6后喷入到内圆筒19内从而冰冻带热障涂层金属工件8微孔中的电解液。
39.本发明中直流脉冲电源12的电压选择3-5v，激光器1的激光功率选择16w，脉冲重复频率选择0.2mhz，扫描速度选择200mm/s。
40.实施例
41.本实施例中带热障涂层金属选dd6镍基单晶高温合金叶片，首先，dd6镍基单晶高温合金叶片经过激光器1的辐照得到了微孔，其中得到的微孔直径在100～600μm，在液氮储罐8、供压装置4和汽化喷头6的作用下，制造出深冷环境，同时，筒状深冷密封装置5保证了深冷环境紧密贴合dd6镍基单晶高温合金叶片的上表面且不会散出。在毛细力和上方深冷环境的作用下，含碳纳米管电解液形成了贴合微孔壁的导电冰柱。接着，在dd6镍基单晶高温合金叶片上表面覆盖网状电极15，以网状电极15为阴极，dd6镍基单晶高温合金叶片为阳极，接通外部直流脉冲电源12进行电解处理，逐步消除激光加工造成的热损伤；在电化学加工的同时，启动锚式搅拌装置11，由于其位于加工槽中间且高速转动，转速在1000r/min到1500r/min之间，这会产生打旋现象，引发dd6镍基单晶高温合金叶片下方产生低压环境。在界面发热和上下压力差的作用下，冰柱融化并对热损伤二次电解处理，达到了打磨抛光的效果，得到了高质量的气膜孔。最后，电解液高效带走加工产物。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，包括如下步骤：对带热障涂层金属工件进行激光打微孔，并使电解液填充微孔，冰冻微孔内的电解液使得电解液冰冻成微冰柱；带热障涂层金属工件作为阳极，网状电极作为阴极进行电化学加工微孔内壁从而消除或者减轻激光加工微孔造成的内壁热损伤。2.根据权利要求1所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，通过激光实现带热障涂层金属工件打微孔，带热障涂层金属工件下方接触电解液，激光打孔打通的同时，在毛细力、光击穿压力变化因素作用下，电解液填充满微孔，并在带热障涂层金属工件上表面溢出，在微孔入口附近形成液滴凸起；带热障涂层金属工件上方引入深冷环境，实现微孔内电解液瞬间冰冻，激光打孔完毕，所打微孔内形成电解液冰柱，且冰柱形状与微孔内壁贴合，且在微孔入口形成微凸起。3.根据权利要求2所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，电解液内含有碳纳米管，冰冻后碳纳米管能够形成导电网络，赋予冰柱导电性。4.根据权利要求1所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，采用网状电极作为阴极，与带热障涂层金属工件上表面相贴合并通过微孔入口处微凸起连接各个微冰柱；带热障涂层金属工件作阳极，接通外部直流脉冲电源，产生电流，在冰柱与微孔内壁界面上发热，冰柱逐渐融化，同时孔内壁开始电解。5.根据权利要求1所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，带热障涂层金属工件下方引入低压环境，微冰柱完全融化后，在上下压力差的作用下，电解液开始自上而下自主流过微孔，对孔内壁进一步电解处理，同时将加工产物带走。6.根据权利要求5所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，通过搅拌装置搅拌电解液提供低压环境。7.根据权利要求1所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法，其特征在于，带热障涂层金属工件为dd6镍基单晶高温合金叶片。8.根据权利要求1至7任一项所述的带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工方法的加工装置，其特征在于，包括光路系统、电解加工系统，供冷系统和搅拌系统，所述光路系统包括激光器、光纤和聚焦透镜；所述的激光器和光纤连接，通过聚焦透镜将激光照射到带热障涂层金属工件上，带热障涂层金属工件上端置于供冷系统内，所述电解加工系统包括直流脉冲电源、电压表、电流表和网状电极；所述直流脉冲电源正极和带热障涂层金属工件相连，负极和网状电极相连，通过电压表和电流表观察并调节电解反应；所述供冷系统包括供压装置、筒状深冷密封装置、汽化喷头和液氮储罐；所述的液氮储罐里的液氮通过供压装置的加压，经过管道输送到筒状深冷密封装置的流通孔，最后经过汽化喷头喷射到带热障涂层金属工件上方，形成了深冷环境；所述搅拌系统包括锚式搅拌装置；所述锚式搅拌装置位于加工槽正中间，当叶片高速转动时，会产生打旋现象，在带热障涂层金属工件的下方形成低压环境。9.根据权利要求8所述的加工装置，其特征在于，所用电解液为硝酸钠或氯化钠，质量分数为10％-30％。10.根据权利要求8所述的加工装置，其特征在于，所述激光器为纳秒或皮秒激光器。

技术总结
本发明公开了一种带热障涂层金属激光打孔与内壁高效电解后处理加工装置及方法，属于特种加工领域。本发明通过激光实现高效钻孔；微孔钻通的同时，毛细力使电解液填充满微孔，并在上表面部分溢出；上方引入深冷环境，实现微孔内含碳纳米管的电解液瞬间冰冻，导电冰柱形状与孔内壁完美贴合；然后，以热障涂层上的网状电极作阴极，带热障涂层金属工件作阳极，产生的电流使冰柱逐渐融化，并对内壁开始电解；下方引入的低压环境使电解液开始在孔内部流动，对内壁进一步电解处理，并带走加工产物。本方法使得孔内壁热损伤处得到最大限度的氧气隔绝和精准的电解处理，同时，融化的电解液对热损伤处可进行二次电解处理并带走产物，从而能够得到高质量气膜孔壁。而能够得到高质量气膜孔壁。而能够得到高质量气膜孔壁。


技术研发人员：朱浩 毛东晨 鲁金忠 张朝阳 张文颉 刘洋 徐坤 吴予澄 卫文倩
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/2