Optik：飞秒激光微孔加工钛合金的形貌与性能研究

hdy

钛合金在航空航天领域的高效冷却孔加工中具有重要应用，但传统方法面临热影响区大、重铸层明显等问题。飞秒激光微孔加工作为一种超短脉冲加工技术，具有热损伤小、精度高等优势，但其参数对孔形貌的影响机制仍需深入探究。印度国家技术学院研究团队系统研究了飞秒激光能量密度、脉冲重复频率和脉冲重叠率对钛合金微孔几何形貌、热影响区及重铸层的影响

。

图1 飞秒加工实验设备

钛合金因其高强度和低导热性，在燃气轮机叶片冷却孔加工中面临挑战。飞秒激光通过极短脉冲和高峰值功率实现材料直接气化，减少热累积。然而，加工参数对孔直径、深度及表面质量的影响规律尚不明确，限制了工艺优化。研究团队通过实验揭示了飞秒激光与钛合金的相互作用机制，为高效高质量微孔加工提供理论支持。

图2 不同能量密度的烧蚀阈值与脉冲重复频率

图3 激光能量密度对微孔尺寸的影响

图4 微孔表明形貌和截面形貌

实验采用厚度0.5mm的Ti6Al4V板材，使用波长为1035nm的飞秒激光加工系统（武汉华锐精密激光HR-Femto-IR-50-40），设置激光能量密度、脉冲重复频率和脉冲重叠率。通过同心扫描策略逐层去除材料，扫描线间距0.8μm。加工后，利用3D轮廓仪和场发射扫描电镜表征孔几何尺寸、表面形貌及微观结构。

图5 200μm孔径在不同激光通量和脉冲重复率下的SEM图像

图6 200μm孔径在不同激光通量和脉冲重复率下的SEM图像

结果表明，能量密度对孔形貌影响显著。能量密度从0.44 J/cm²增至0.63 J/cm²时，孔直径从298μm增加到453μm，孔深度从274μm增加到303μm，重铸层高度随能量密度升高而上升。低能量下以气化为主，热影响区小；高能量触发“相爆炸”机制，熔融材料喷射导致孔壁扩大并形成明显重铸层。脉冲重复频率存在临界值，当重复频率达10kHz时，烧蚀阈值趋于饱和。低于10kHz时，阈值随频率升高而降低；高于10kHz时，热累积导致孔直径减小，但重铸层厚度因熔融材料冷却不足而增加。脉冲重叠率影响热累积，重叠率从80%增至97.5%时，孔直径和深度增大，但高重叠率导致微裂纹和重铸层增厚。最佳参数组合为能量密度0.44J/cm²、重复频率10kHz、重叠率85%，此时孔形貌最优且热损伤最小。

研究证实，飞秒激光参数通过调控烧蚀机制和热累积效应，显著影响钛合金微孔质量。优化参数可抑制热影响区与重铸层，为航空发动机叶片冷却孔的高效加工提供新思路。未来研究可进一步探索多参数协同作用及动态加工过程，结合实时监测技术提升工艺稳定性。