Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей, и, соответственно, безопасность полетов. Эту проблему можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе прошивки охлаждающих отверстий в лопатках. При этом во избежание горячих точек на поверхности лопаток плотность отверстий должна быть до ~200 отверстий/см?. К тому же, сложная структура жаропрочного кристаллического Niсплава, подобного CMSX4, требует процесса сверления, не меняющего его матрицу.

Сверление отверстий, которые являются каналами охлаждения компонентов турбинных двигателей, – один из наиболее распространенных процессов лазерной обработки. Однако до сих пор нет лазерных систем, позволяющих эффективно сверлить в турбинных лопатках из жаропрочного Niсплава высокоаспектные микроотверстия Ж100500 мкм и глубиной t Ј 56 мм с малой величиной перегретой зоны (, где a » 1см²/с).
В случае обычного лазерного сверления (импульсы миллисекундного диапазона t_имп ?0,5 мс, плотность мощности ~10⁶ Вт/cм²) на поверхности отверстия формируется переплавленный слой h (рис. 1) толщиной свыше 50 мкм, в котором изза быстрого затвердевания происходит формирование микротрещин, уменьшающих ресурс детали.

Эту проблему помогает решить использование коротких наносекундных импульсов с высокой плотностью мощности (10⁸10⁹ Вт/cм²) и более короткой длиной волны (выше порог поглощения излучения в плазме). Переплавленный слой значительно уменьшается, так как удаление материала происходит в основном в газообразной фазе [2]. Для импульсов длительностью 10⁸ сек пороговая плотность энергии для быстрого удаления материала составляет ~10 Дж/cм² при скорости абляции V_сверл ? 1 мкм/импульс. Однако с увеличением толщины материала свыше 1 мм скорость абляции значительно падает (V_сверл ? 0,1 мкм/импульс) (рис. 2). Увеличение плотности энергии более чем на порядок лишь незначительно увеличивает скорость абляции.

Одним из механизмов, ограничивающих скорость абляции, является поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазме, парах металла и капельках расплава. Другим ограничивающим фактором является более сильное ослабление лазерного излучения внутри глубокого канала одномерно расширяющейся плазмой в противоположность поверхностному двумерному случаю. В результате минимальная плотность энергии, необходимая для сверления образца толщиной ~0,4 мм, повышается до 30 Дж/cм², а для образца толщиной ~0,9 мм до 100 Дж/cм². Высокочастотному Nd:YAG лазеру (30 Вт, 10 кГц, 15 нс) требуется несколько секунд при плотности энергии ~500 Дж/cм², чтобы просверлить отверстие Ж<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510^о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 t, где t толщина металла в мм).

Для сверления в турбинных лопатках глубоких отверстий Ж150350 мкм с той же эффективностью абляции требуются энергии в импульсе уже ~50100 мДж и, соответственно, кВт­ная средняя мощность лазера в TEM₀₀ моде. Другой подход – кольцевое сверление (trepanning drilling) – на порядок более длительный (по времени сравним с электроэрозионной прошивкой), хотя и требует менее мощного лазера.

Экспериментальная установка

Решение проблемы сверления глубоких микроотверстий представляется в использовании пачек относительно длинных (300500 нс) импульсов (длительность пачки несколько миллисекунд с интервалом между ними ? 20мкс), с дополнительным профилированием их интенсивности в процессе сверления отверстия. Во­первых, относительно большая длительность импульсов позволяет обеспечить обработку материала при плотности энергии, более чем на порядок превосходящей плотность энергии для импульсов длительностью 1015 нс (при той же интенсивности), и, следовательно, сверление менее критично к толщине материала. Во­вторых, имеется возможность повышения энергии импульса к концу пачки (профилирование) для увеличения эффективности удаления испаряемого материала. Втретьих, за счет использования пачек импульсов можно снизить среднюю мощность лазера до 1020 Вт, существенно уменьшив тем самым его стоимость.

Лазерная установка для сверления высокоаспектных микроотверстий включает в себя задающий генератор и двухпроходовый Nd:YAG усилитель (рис. 3). Задающий генератор – Nd:YAG лазер с непрерывной накачкой и акустооптическим затвором – генерирует 150 ё 550 нс импульсы с частотой повторения 3,5ё50 кГц со средней мощностью до 1 Вт. Двухпроходовый Nd:YAG усилитель вырезает из непрерывной последовательности импульсов и усиливает пачку импульсов длительностью 1 ё 6 мс (зависит от глубины отверстия). После усилителя энергия пачки импульсов достигает 1 Дж. Частота повторения пачек 10 Гц.

Фокусирующая линза f =150 мм обеспечивает на поверхности образца плотность мощности і10⁸ Вт/cм² для диаметра пучка 100 мкм. Вспомогательные газы O₂, N₂ или Ar (в зависимости от обрабатываемого материала) используются для выталкивания расплава из зоны обработки.

 Результаты и обсуждения

Сверление микроотверстий (Ж100 мкм) проводилось на Ni сплаве IC10, Ni монокристалле DD6, конструкционной и нержавеющей сталях. На рис. 4 представлены результаты сверления микроотверстий в Ni сплаве IC10 (толщина 1,6 мм) с различными длительностями импульсов (энергия одиночного импульса E=18,5 мДж, частота повторения импульсов в пачке F=30 кГц, длительность пачки импульсов 0,9 мс, плотность энергии на образце 170 Дж/cм²). Большая длительность импульсов дает лучшее качество отверстий. Для импульсов длительностью 550 нс толщина переплавленного слоя для большинства отверстий меньше чем 20 мкм, или даже 10 мкм (рис. 4 в). Для более коротких импульсов существует больший разброс в толщине переплавленного слоя. Результат сверления сильно зависит от типа материала. Ni монокристалл DD6 показывает противоположный результат по сравнению с IC10: толщина переплавленного слоя отверстий, сделанных в DD6 с O₂, намного тоньше, чем у отверстий, сделанных без газа.

Таблица 1

представляет результаты скорости сверления отверстий в материале IC10 импульсами с различной частотой повторения в пачке (энергия импульсов 18,5 мДж). 

Как видно из таблицы 1, эффективность сверления возрастает с увеличением длительности импульса. При частоте повторения импульсов >30 кГц возрастает поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазменном факеле, что снижает эффективность сверления. Как ожидалось, увеличение аспектного отношения приводит к резкому снижению скорости абляции, так как с увеличением глубины отверстия усиливается диссипация лазерного излучения. На большей глубине и при частоте повторения импульсов в пачке <30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.

Конусность отверстия также зависит от частоты повторения импульсов в пачке. Для частоты следования импульсов 50 кГц различие входных и выходных диаметров отверстий не более 10%, но при этом мы получаем снижение скорости абляции, а следовательно, и эффективности сверления.

иллюстрирует зависимость эффективности сверления микроотверстий от их глубины. Исследования проводились на образцах из конструкционной и нержавеющей стали толщиной до 5 мм. Скорость абляции, а следовательно, и эффективность сверления микроотверстий резко снижаются при увеличении толщины образца более 2 мм (рис. 5б). В снижении скорости сверления с толщиной ключевую роль играет плазма и переотражение лазерного излучения от боковых стенок. Однако эффективность сверления и в этом случае более чем на два порядка превосходит эффективность сверления короткими 1015 нс импульсами той же интенсивности.

Улучшение геометрии микроотверстий

Дальнейшее повышение производительности сверления и улучшение формы отверстия (уменьшение воронки на входе, снижение конусности) возможно при программировании энергии в последовательных пачках импульсов (рис. 6) и преобразовании пространственного профиля пучка в зоне взаимодействия из гауссова в пучок с равномерным супергауссовым распределением или даже с интенсивностью излучения минимальной в центре пучка (рис. 7). Естественно, что при этом предпочтительно использовать лазеры с высоким качеством луча.

Пространственный профиль излучения в зоне обработки значительно влияет на скорость сверления и конусность микроотверстий, топологию поверхности материала около отверстия. При прямой фокусировке излучения (гауссов профиль) вокруг отверстия формируется значительный валик расплава и входная воронка, а типичные углы конусности для NiAl толщиной 2,5 мм составляют 0,3^о0,5^о. При переносе изображения супергауссова пучка эти негативные эффекты резко снижаются (рис. 8), а конусность отверстия составляет ?0,25^о.

Для образца из конструкционной стали толщиной 5 мм конусность оказалась 0,31⁰ и 0,23⁰ для прямой фокусировки и передачи изображения, соответственно. Фактически для частоты следования импульсов в пачке 30 кГц система передачи изображения уменьшает конусность отверстия в 1,52 раза (см. также таблицу 1). В тоже время пространственный профиль излучения практически не влиял на скорость сверления отверстия при толщинах образцов от 1 мм и выше. Заметное влияние наблюдалось лишь на малых толщинах 50 мкм и 100 мкм. В таблице 2 приведены данные по сверлению микроотверстий в фольге.

Таким образом, передача изображения на входную плоскость образца является эффективным способом для уменьшения конусности отверстий и минимизации входной воронки с валиком расплава.

Фокусирующая система
(«Световая» трубка)

Очень трудно сохранить небольшую конусность отверстия для большой толщины (56 мм) образца. Ограниченная фокальная длина фокусирующей линзы становится основной проблемой для достижения малой конусности. Возможным решением может быть использование фокусирующей системы, передающей заданный профиль лазерного луча с выходной апертуры усилителя с последующей фокусировкой на образец в виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо больше, чем обычная конфокальная длина объектива. Для лазера с выходной апертурой ~ 45 мм разработана компактная афокальная система, которая создает "световую" трубку ? 100 мкм и длиной ? 3 мм, рис. 9. Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.

Внедрение технологий лазерной прошивки микроотверстий в деталях и узлах горячей части газовоздушного тракта газотурбинных двигателей (ГТД) позволит с меньшими затратами (взамен низко производительной электроэрозионной технологии) создавать эффективные системы воздушного охлаждения деталей для их тепловой разгрузки, тем самым позволяя повысить КПД, мощность и экономичность ГТД.

 Проф. В.А. Серебряков
НИИ лазерной физики
199034 С.Петербург, Биржевая линия 12
Тел. (812) 3285734, факс (812) 3285891