水導激光器更多地應用于陶瓷和復合材料等先進材料的加工。本文旨在研究水導激光器在熱障涂層鎳高溫合金上鉆削銳角孔的基本特性，并與目前最先進的QCW毫秒光纖激光器進行比較。水導激光打孔質量(就熱損傷而言)與冷燒蝕過程非常相似(即在基材內部不產生任何熱缺陷的加工)。水導激光加工的材料去除機制似乎是蒸汽壓力、沖擊沖擊壓力和水射流壓力作用下的熔體噴射的結合。
圖1、水射流制導激光加工原理
圖1(a)和圖1(b)分別顯示了水導激光系統(tǒng)的照片視圖和原理圖，其中激光束通常為535 nm激光，聚焦在直徑為40 ~ 150 μm的加壓水射流上。加壓的水射流作為光束導流器，通過全內反射將激光脈沖引導到激光照射區(qū)。雖然激光聚焦光斑尺寸小于水射流直徑，但由于內部反射，激光束在水射流內部均勻化，在激光照射區(qū)域內，光束和射流的直徑保持不變。
圖2、ms和水導激光打孔掃描技術
毫秒(ms)和水導激光鉆孔采用的激光束掃描策略分別如圖2(a)和(b)所示。采用ms激光的標準鉆孔(圖2a)包括初始沖擊鉆孔(或穿孔以獲得通導孔)，然后沿著相同的圓形路徑進行一系列激光運動(或軌道)以獲得所需的孔直徑。在初始穿孔過程中，大部分熔體從頂部噴出，而在環(huán)形套管鉆孔過程中，大部分熔體從后部噴出。水導激光鉆孔采用螺旋鉆孔法(圖2b)，該方法不需要建立導孔。水導激光器沿著圓形路徑運動，水射流發(fā)出的激光束繼續(xù)以向下螺旋的方式穿過孔，而水導激光頭與工件表面保持相同的距離。在水導激光工藝中，大部分燒蝕材料被水向上沖刷。一旦激光穿透了材料，再繞幾圈或轉幾圈就可以使孔的邊緣變得平滑。
圖3、毫秒激光鉆孔對熱障涂層脫層和重鑄層厚度的影響
毫秒激光鉆孔參數(shù)對熱障涂層分層的影響如圖3所示。在2.4 mm厚的熱障涂層鎳合金上以30°角鉆孔0.75 mm孔。初始沖擊以2.5 J、0.25 ms、25 Hz、100次脈沖進行，并使用空氣作為輔助氣體。鉆孔的峰值功率為10kw，脈沖持續(xù)時間為0.5 ~ 1ms。選擇這些參數(shù)是為了在鉆孔上獲得最佳的冶金性能。由于孔內壁上有過多的重鑄層，小于0.5 ms的脈沖持續(xù)時間不是鎳高溫合金鉆孔的最合適參數(shù)。
圖4、不同螺旋鉆孔軌道數(shù)的水導激光鉆孔橫切面圖像
圖4顯示了螺旋軌道數(shù)量對水導激光在熱障涂層航空航天合金上鉆45°孔的影響。如圖所示，鉆大約120個螺旋鉆孔軌道，需要的平均功率為42W，才能以45°角完全鉆穿2.4 mm 熱障涂層鎳合金。
圖5、脈沖頻率對水導激光鉆孔的影響
脈沖頻率對水導激光鉆削等量螺旋鉆孔軌道(150條)和平均功率(42 W)的影響如圖5所示。脈沖頻率的增加降低了脈沖能量、峰值功率和功率密度，最終降低了內部產生熱量的程度，從而避免了涂層-襯底界面處的熱點。
圖6、熱障涂層合金微毫秒激光打孔的溫度及材料去除特性
圖6和圖7分別顯示了ms和水導激光鉆孔的燒蝕曲線和溫度曲線。所有結果都被繪制為與脈沖結束時間(下一個激光脈沖與材料相互作用之前)相對應的時間。圖6中的視圖1、視圖2和視圖3分別對應了初始沖擊的結果：激光位于鉆孔圓的右側和激光位于鉆孔圓的左側。圖6的一個主要觀察結果是，在大多數(shù)情況下，在孔的頂部前緣觀察到一個高溫區(qū)，這應該是熱障涂層分層的主要原因。
圖7、熱障涂層合金水導激光打孔的溫度和材料去除特性
從圖7中可以看出，隨著水射流冷卻的增強，納秒激光脈沖顯著降低了每個激光脈沖末端的殘余溫度。另一個主要觀察結果是，水導激光過程的熱點完全包含在激光照射區(qū)內(圖7)，這最終有助于阻止熱障涂層分層。
圖8、水導激光材料去除機理示意圖
圖8給出了水導激光加工過程的合理機理。首先，通過水引導(圖8b)的激光脈沖(圖8a)與材料表面相互作用。激光與材料的相互作用(圖8b)導致輻照區(qū)內的加熱、熔化(圖8b)和輕微的汽化(圖8c)。由于脈沖長度較長(~ 150 - 250ns)，部分激光束被汽化物質吸收(圖8c)，導致在激光照射區(qū)上方形成等離子體(圖8d)。在這個階段，等離子體充當水射流和材料之間的中間區(qū)域(圖8d)。這種現(xiàn)象與激光沖擊強化所觀察到的機制類似，在這種機制中，被困在水層和襯底之間的等離子體產生了高量級的壓力波。與最先進的納秒激光與材料的相互作用相比，等離子體產生的沖擊波以及高量級的蒸汽壓力加速了熔體噴射過程。一旦等離子體開始消失，水射流與高溫激光照射的表面相互作用，表面可能仍然有一層薄薄的殘余熔體。水射流與高溫激光照射區(qū)相互作用導致水的爆炸性汽化，產生脈沖沖擊壓力，導致激光照射區(qū)殘余熔體層被清除。因此，在水導激光鉆孔上沒有觀察到重鑄區(qū)或熱影響區(qū)。
圖9、水導激光在與表面45°處部分鉆孔的光學顯微圖像
部分鉆孔的入口和截面如圖9所示。在最先進的納秒級鉆孔中，孔內的整個區(qū)域都是機械加工的，而與水導激光鉆孔一起使用的螺旋鉆孔技術則可以忽略壁面錐度，并且速度更快。由于激光束被引導穿過一個非常薄的水射流(直徑約60 μm)，因此避免了光束發(fā)散的問題，因此鉆孔的壁直，生產率更高。
研究表明水導激光打孔工藝的基本特性如下：
1、水導激光可以在熱障涂層鎳合金表面產生銳角孔，而不產生涂層脫層或重鑄層。
2、水導激光打孔角孔時，孔前緣僅在打孔開始時經歷高溫。隨著鉆孔向下移動(以螺旋方式)，高溫區(qū)域已完全包含在激光照射區(qū)域內，從而實現(xiàn)無分層鉆孔。這與毫秒激光鉆孔相反，在毫秒激光鉆孔中，從鉆孔過程開始到結束，在孔的前緣可以觀察到有明顯更高的溫度。
3、在2.4 mm厚的材料上，用42 W 激光在表面45°、30°和15°方向上打孔0.75 mm直徑的孔，分別需要40、80和160 s左右。
4、在平均功率為500w時進行的毫秒激光鉆孔比在42 W時進行的水導激光鉆孔快10倍。高平均功率水導激光器可能實現(xiàn)高質量和高生產率的冷卻孔鉆在涂層航空發(fā)動機部件。
