一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺

1.本发明属于激光精密加工技术领域，涉及一种高温合金的激光加工工艺，可在保持原有力学性能的前提下获得极好的自清洁性能。


背景技术：

2.高温合金由于其低密度，较高的高温强度、塑性和良好的可加工性，常用于制作涡轮、叶片以及发动机尾喷管等部件。然而，在发动机的实际工作状态下，燃料经高温燃烧后产生的积碳颗粒通常会沉积在发动机表面，并随着发动机服役时间的推移而逐渐积累变厚。过厚的积碳层会降低发动机的动力性能，减少发动机的寿命，甚至引发严重的使用安全问题。考虑到超疏水表面具有优异的自清洁性能，若能在日常维护工作中，利用水滴轻松高效地冲刷掉部件表面的积碳，从而及时恢复发动机的性能，则有利于延长发动机的服役时长以及保证使用安全。
3.激光加工技术是一种快速高效的制备超疏水表面的方法。通过高能激光束的热效应在金属基底上刻蚀出微纳米级复合粗糙结构，再经低表面能物质修饰即可得到具有良好性能的超疏水表面。借助于计算机软件的精准控制，激光加工技术可准确调整每个加工参数，从而高精度、可重复性地制备超疏水表面。
4.然而，目前使用激光加工技术在金属表面构建微纳米结构从而制备超疏水表面的方法存在过度加工的问题，即对同一区域重复加工或扫描次数过多。过度的加工会减薄金属基底的厚度并产生一层脆性重铸层，严重地降低了部件的力学性能。此外，目前也尚无有关自清洁高温合金的激光加工工艺研究。


技术实现要素：

5.针对现有激光加工技术存在的问题，本发明提供一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，所述加工工艺基于传统的纳秒激光加工系统实现，激光束对高温合金任意区域仅扫描1次，激光束线间距小于激光影响区域宽度但不小于激光加工光斑直径且激光加工区域总高度大于10μm。所述的激光束是指波长1064nm、脉宽100ns的纳秒激光；所述的激光束线间距是指相邻轨迹中心的距离；所述的激光影响区域宽度是指激光束扫过后刻蚀和溅射区域的总宽度；所述激光加工区域总高度是指加工影响区域凸起顶部和凹陷底部间的距离。
8.具体包括以下步骤：
9.首先，对高温合金片进行超声波清洗并干燥，将高温合金片放置于纳秒激光加工系统上。其次，设定纳秒激光加工系统构的参数，设定加工路线进行加工，所述的参数包括功率、扫描速度、激光束线间距、激光重复频率。最后，对加工后的高温合金片表面进行氟化处理，并进行高温干燥及冷却。
10.进一步的，所述的纳秒激光加工系统的参数为：所述的激光功率不大于30w；所述的扫描速度不大于2000mm/s，预选为100～500mm/s；所述的激光束线间距50～120mm；所述的激光重复频率为20khz。
11.进一步的，所述氟化处理的方法为：将高温合金片浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30分钟。
12.本发明与现有的激光加工超疏水表面技术相比，具有以下有益效果：
13.(1)本发明获得的自清洁高温合金具有接近未处理样件的抗拉强度、伸长率以及宽度收缩率。
14.(2)本发明获得的自清洁高温合金具有较好的超疏水性。
15.(3)本发明获得的自清洁高温合金具有较好的积碳自清洁性。
附图说明
16.图1为本发明中激光线间距和激光影响区域宽度示意图；
17.图2为本发明中激光加工区域总高度与宽度示意图。
18.图3为本发明中实施例1中的拉伸应力应变曲线；图3(a)为本发明中实施例1中的未经激光扫描试样的拉伸应力应变曲线；图3(b)为本发明中实施例1中经过1次激光扫描所得试样的拉伸应力应变曲线。
19.图4为本发明中五个实施例中的水滴接触角光学照片；图4(a)为本发明中实施例1中的水滴接触角光学照片；图4(b)为本发明中实施例2中的水滴接触角光学照片；图4(c)为本发明中实施例3中的水滴接触角光学照片；图4(d)为本发明中实施例4中的水滴接触角光学照片；图4(e)为本发明中实施例5中的水滴接触角光学照片；图4(f)为本发明中实施例6中的水滴接触角光学照片。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
21.一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，所述加工工艺基于传统的纳秒激光加工系统实现，具体实施案例如下：
22.实施例1
23.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以15w功率、500mm/s扫描速度、50mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为91mm)，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角165.5
°
、平衡于沟槽方向滚动角2.2
°
、垂直于沟槽方向滚动角3.5
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。制得的超疏水k424高温合金片的拉伸应力应变曲线与未经激光加工的k424高温合金片的拉伸应变应变曲线接近，保持了原有的良好力学性能。
24.实施例2
25.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以30w功率、500mm/s扫描速度、100mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为105mm)，完成后浸入质量分数为
1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角160.2
°
、平衡于沟槽方向滚动角5.2
°
、垂直于沟槽方向滚动角7.9
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。
26.实施例3
27.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以30w功率、100mm/s扫描速度、115mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为116mm)，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角151.4
°
、平衡于沟槽方向滚动角10.4
°
、垂直于沟槽方向滚动角16.9
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。
28.实施例4
29.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以15w功率、500mm/s扫描速度、90mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为91mm)，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角164.5
°
、平衡于沟槽方向滚动角4.4
°
、垂直于沟槽方向滚动角4.4
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。
30.实施例5
31.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以15w功率、100mm/s扫描速度、95mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为98mm)，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角161.9
°
、平衡于沟槽方向滚动角4.8
°
、垂直于沟槽方向滚动角5.8
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。
32.实施例6
33.将超声波清洗干燥后的k424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，设定纳秒激光加工系统构的参数，按图1的轨迹并以1.5w功率、100mm/s扫描速度、50mm激光束线间距、20khz频率下进行加工(此参数下的激光影响区域宽度为51mm)，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终获得接触角157.1
°
、平衡于沟槽方向滚动角15.0
°
、垂直于沟槽方向滚动角16.6
°
的超疏水性，对高温沉积的积碳具有较好的自清洁性。
34.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，所述加工工艺基于传统的纳秒激光加工系统实现，其特征在于，加工过程中，激光束对高温合金任意区域仅扫描1次，激光束线间距小于激光影响区域宽度但不小于激光加工光斑直径且激光加工区域总高度大于10μm，其中激光束是指波长1064nm、脉宽100ns的纳秒激光；所述的激光束线间距是指相邻轨迹中心的距离。2.根据权利要求1所述的一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，其特征在于，所述的激光影响区域宽度是指激光束扫过后刻蚀和溅射区域的总宽度。3.根据权利要求1所述的一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，其特征在于，所述激光加工区域总高度是指加工影响区域凸起顶部和凹陷底部间的距离。

技术总结
本发明提供一种保持原有力学性能的自清洁高温合金的激光加工工艺，属于激光精密加工技术领域。首先将超声波清洗干燥后的K424高温合金片放置于纳秒激光加工系统上，按设定的轨迹和加工参数进行加工，其中激光束线间距小于激光影响区域宽度但不小于激光加工光斑直径且激光加工区域总高度大于10μm，完成后浸入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中30min，最终可获得在保持高温合金原有力学性能的前提下获得超疏水性，并展示出极好的对高温积碳的自清洁效果。本发明获得的自清洁高温合金具有接近未处理样件的抗拉强度、伸长率以及宽度收缩率；获得的自清洁高温合金具有较好的超疏水性；获得的自清洁高温合金具有较好的积碳自清洁性。洁性。洁性。


技术研发人员：宋金龙 张柄桢
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/9