中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室和宁波大学机械工程与力学学院的科研人员报道了水导激光加工DD6单晶高温合金的表面质量分析研究。东北大学材料科学与工程学院、南京中科煜宸激光技术有限公司、苏州中科激光智能制造创新研究院及沈阳工业大学机械工程学院的科研人员报道了水导激光加工DD6单晶高温合金重熔层的分析研究。 

 一、水导激光加工DD6单晶高温合金  的表面质量分析 

DD6高温合金因其卓越的综合性能，被广泛应用于航空航天领域的涡轮转子叶片；然而，其可加工性方面存在挑战。在对这些合金进行加工时，表面质量起着至关重要的作用。水导激光技术（WJGL）是一种复合激光加工技术，对于加工像高温合金和复合材料这类难加工材料具有优势。基于波长为532nm的激光，使用水导激光对1mm厚的DD6合金进行开槽加工，并采用参数相同的传统纳秒激光加工作为对照组。与传统纳秒激光加工的结果相比，水导激光加工的表面熔渣飞溅和残留物极少。

此外，电子背散射衍射（EBSD）分析表明，DD6合金在经过水导激光加工后，其晶格结构未发生改变。另一方面，在传统纳秒激光加工的DD6合金切缝中观察到了44.3μm的热影响区，且最大重铸层厚度达到3μm。相反，在水导激光加工的DD6合金切缝中未检测到热影响区，其优化后的最大重铸层厚度为1.9μm，与传统纳秒激光加工相比改善了37%。这项研究对于实现DD6合金的高质量切割效果具有重要意义。     

图1.（a）水导激光加工系统示意图；（b）水导激光示意图；（c）水导激光实物照片。 

图2.加工示意图。

图3.（a）切槽的微观三维形貌；（b）切槽的横截面视图。  

图8.传统纳秒激光加工和水导激光加工DD6合金的对比。 

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 本文系统研究了水导激光与传统纳秒激光切割DD6高温合金的差异。借助响应面法（RSM）对加工参数进行优化后，使用水导激光和参数相同的传统纳秒激光对DD6合金板材进行了开槽实验，通过对比分析得出以下结论：

 (1)利用响应面法得到了加工参数的最优期望值：进给速度为1mm/s，激光功率为14.45W，激光重复频率为10kHz，水射流速度为180m/s。结果表明，平均锥度为3.65°，比预测的最小锥度低55.81%；平均槽深为247.42μm，比预测的最大槽深高5.02%；平均槽宽为90.38μm，比预测的最小槽宽低6.26%。

 (2)对于DD6板材切割，水导激光加工产生的表面光洁度明显优于传统纳秒激光加工，且产生的缺陷更少。传统纳秒激光加工的槽上表面熔渣堆积严重，在切缝附近180μm区域内有激光烧蚀产物，180μm以外区域飞溅严重。下表面也存在严重的熔渣堆积和局部激光侵蚀现象。另一方面，水导激光加工的槽上表面切口平直、干净，无熔渣堆积，仅有局部熔渣残留。完全切穿后，槽缝出口干净，但槽缝出口参差不齐，直线度较差。

 (3)由于传统纳秒激光加工产生的熔合重铸降低了表面粗糙度，因此水导激光加工的表面粗糙度高于传统加工。水导激光加工过程中存在锥度效应。当槽底宽度小于水射流直径时，水射流会被破坏，部分激光能量会从水射流中逸出并作用于槽的侧壁，这一过程也会增加水导激光开槽的粗糙度。

 (4)水导激光加工不会改变材料表面附近的晶格结构，且该加工过程产生的重铸层较小。传统纳秒激光加工存在热积累效应，导致合金近表面层发生从单晶到多晶的转变，并出现小晶界，形成了厚度可达44.30μm的热影响区。在脉冲间隔期间，熔融材料在表面重新凝固，最终形成了厚度可达3μm的重铸层。

在水导激光加工过程中，水射流的冷却作用可以消除热积累效应，热影响区也随之消除。由于水射流的冲刷作用，最终形成的重铸层最大厚度为1.90μm。 

   二、水导激光加工DD6单晶高温合金重熔层的分析 

亮点: 

1.水导激光加工在重熔层中诱导出周期性的脊状结构。 

2.水中的氧在重熔层中富集。 

3.重熔层内存在多晶晶粒，其晶体取向与基体不同。 4.重熔层内形成非晶层，具有极化的镍（Ni）和钴（Co）析出物。 5.水射流导致重熔层中的晶体取向发生变化。 本研究探究了采用水导激光（WJGL）加工DD6镍基单晶高温合金时重熔层的特征。分析集中在表面形貌、元素分布和晶体结构的变化上。

水导激光加工诱导出周期性的热应力，在重熔层内形成了明显的脊状结构，其形貌与未加工的基体不同。在界面处，氧与铝、镍和铬等元素之间的相互作用导致了氧化物的形成，对这些氧化物在表面转变中所起的作用进行了重点评估。

利用菲克第二定律计算得出氧的扩散系数为1.5×10⁻15m²/s，这说明了这些相互作用的程度。研究还揭示了存在与基体取向偏差极小的薄多晶层，保持了合金的整体结构完整性。此外，发现加工方向会影响重熔层中的晶体取向，而水射流产生的湍流会对这种影响起到调节作用。这些研究结果有助于理解水导激光加工对微观结构的影响，对优化航空航天工程中高温合金的应用具有重要意义。 

 本研究探究了水导激光（WJGL）加工对DD6镍基单晶高温合金重熔层的影响。通过分析表面形貌、元素分布以及晶体结构的演变，深入了解了加工机理及其对材料的影响。 水导激光加工展现出了能够实现精确加工的能力，由于水射流的冷却作用，其热损伤有所降低。

激光与水射流之间的相互作用引发了周期性的热应力，从而在重熔层表面形成了脊状结构。水射流中的氧扩散导致重熔层内形成气泡，且气泡密度随着与界面距离的增加而减小。

微观结构检查揭示了不同程度的氧化现象以及析出相的存在，确定了多晶区域和非晶区域。晶体结构的变化包括形成了β-NiAl多晶晶粒，其取向与基体略有不同。水射流施加的机械应力影响了重熔层的表面取向，使其与水射流的运动方向一致。 

这些研究结果表明，虽然水导激光加工会在重熔层中引入微观结构的改变，但与传统激光加工方法相比，它在加工精度和减少热影响方面具有显著优势。优化加工参数可以减轻这些微观结构的变化，并提高部件的性能。

本研究强调了水导激光技术在高温合金应用中的潜力，突出了了解微观结构影响对于确保加工部件稳定性的重要性。