镍基单晶飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32400

材料工程与机械制造

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镍基单晶飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为

李飞¹(), 温志勋²^,³, 罗磊¹, 岳珠峰²^,³, 刘智名²

^1.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001
^2.西北工业大学力学与交通运载工程学院，西安 710072
^3.西北工业大学清洁高效透平动力装备全国重点实验室，西安 710072

收稿日期:2025-06-09 修回日期:2025-07-04 接受日期:2025-08-12 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-10-09
通讯作者: 李飞 E-mail:lifei24@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52375158);国家自然科学基金(52505147);国家资助博士后研究人员计划(GZB20240953);中国博士后科学基金(2024M754201)

Fatigue fracture behavior of femtosecond-laser-processed film cooling holes in nickel-based single-crystal superalloys

Fei LI¹(), Zhixun WEN²^,³, Lei LUO¹, Zhufeng YUE²^,³, Zhiming LIU²

^1.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^2.School of Mechanics and Transportation Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2025-06-09 Revised:2025-07-04 Accepted:2025-08-12 Online:2025-10-10 Published:2025-10-09
Contact: Fei LI E-mail:lifei24@hit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52375158);Postdoctoral Fellowship Program of CPSF(GZB20240953);China Postdoctoral Science Foundation(2024M754201)

摘要/Abstract

摘要：

镍基单晶涡轮叶片上通常布置数百个直径在0.2~0.8 mm之间的气膜孔，气膜孔的存在破坏了涡轮叶片结构完整性，在高温疲劳载荷下成为叶片失效断裂的多发部位。针对气膜孔制造初始损伤与疲劳断裂行为强相关的问题，以镍基单晶合金飞秒激光制造气膜孔试样开展疲劳断裂行为研究。首先，采用流体动力学方法建立了飞秒激光三维螺旋制孔仿真模型，获取制孔过程孔型演化规律；然后从几何、微观结构和力学性能方面对气膜孔表面完整性进行分析，气膜孔孔型平均锥度约为0.19°，孔边热损伤区的最大深度约为18 μm，且发生严重氧化，孔边残余应力最大值为463 MPa。紧接着，对气膜孔试样进行980 ℃下疲劳试验，从试样断口中发现裂纹起源于孔壁热影响区，随后裂纹面以近似逆时针旋转约6°的椭圆轮廓沿着垂直于载荷的方向扩展直至断裂。最后，根据飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为提出了基于增量塑性和构形力理论的M积分裂纹扩展驱动力，并在此基础上构建了气膜孔疲劳裂纹扩展率与有效裂纹扩展驱动力之间的有效函数描述模型。

关键词: 镍基单晶合金, 气膜孔, 飞秒激光, 初始制造损伤, 裂纹扩展

Abstract:

Hundreds of film-cooling holes with a diameter ranging from 0.2 mm to 0.8 mm are usually arranged on nickel-based single-crystal turbine blades. The existence of these film-cooling holes impairs the structural integrity of the turbine blades， making them high-risk locations for blade failure and fracture under high-temperature fatigue loads. To address the issue that the initial manufacturing defects of film-cooling holes are strongly correlated with their fatigue fracture behavior， a study on the fatigue fracture behavior was conducted using nickel-based single-crystal alloy specimens with film-cooling holes fabricated by femtosecond laser. Firstly， a three-dimensional spiral hole-drilling simulation model for femtosecond laser was established based on the hydrodynamic method to obtain the evolution law of hole morphology during the drilling process. Subsequently， the surface integrity of the film-cooling holes was analyzed from three aspects： geometry， microstructure， and mechanical properties. The average taper of the film-cooling holes was approximately 0.19°， the maximum depth of the thermal damage zone near the hole edges was about 18 μm with severe oxidation observed， and the maximum residual stress at the hole edges reached 463 MPa. Subsequently， fatigue tests were conducted on the specimens with film-cooling holes at 980 °C. Fracture analysis revealed that cracks originated from the heat-affected zone of the hole walls and propagated in an elliptical contour with an approximate 6° counterclockwise rotation until fracture occurred. Finally， based on the fatigue fracture behavior of film-cooling holes fabricated by femtosecond laser， an M-integral crack propagation driving force was proposed， which is based on incremental plasticity and configurational force theory. On this basis， an effective functional model describing the relationship was constructed between the fatigue crack growth rate of film-cooling holes and the effective crack propagation driving force.

Key words: nickel-based single-crystal superalloys, film-cooling hole, femtosecond lasers, initial manufacturing damage, crack propagation

中图分类号:

V232.4

李飞, 温志勋, 罗磊, 岳珠峰, 刘智名. 镍基单晶飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为[J]. 航空学报, 2026, 47(5): 432400.

Fei LI, Zhixun WEN, Lei LUO, Zhufeng YUE, Zhiming LIU. Fatigue fracture behavior of femtosecond-laser-processed film cooling holes in nickel-based single-crystal superalloys[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(5): 432400.

图/表 21

图 1

表1

表2

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表3

｛311｝晶面位置参数值

平面	Φ	Ψ	$d h k l l$
（1 1 3）	154.34	13.56	1.084 046
（3 1 1）	110.09	58.92	1.077 113
（3 -1 1）	70.28	61.07	1.077 935
（1 -1 3）	18.83	24.01	1.083 185
（-1 -1 3）	48.41	37.21	1.083 587
（-1 1 3）	111.90	31.25	1.083 454

表3

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

参考文献 31

[1]	CHEN T. Understanding the deformation mechanisms in Ni-based superalloys with using crystal plasticity finite element method［D］. Missouri： Missouri University of Science and Technology， 2020.
[2]	刘新灵，陶春虎，刘春江. 航空发动机叶片气膜孔加工方法及其演变分析［J］. 材料导报， 2013， 27（21）： 117-120.
	LIU X L， TAO C H， LIU C J. Investigation of processing methods and development of gas holes of engine blade［J］. Materials Reports， 2013， 27（21）： 117-120 （in Chinese）.
[3]	ZHANG Z， XU Z， WANG C C， et al. Molecular dynamics-guided quality improvement in the femtosecond laser percussion drilling of microholes using a two-stage pulse energy process［J］. Optics & Laser Technology， 2021， 139： 106968.
[4]	TAO S， WU B X， LEI S T. Study of laser beam propagation in microholes and the effect on femtosecond laser micromachining［J］. Journal of Applied Physics， 2011， 109（12）： 123506.
[5]	NEDIALKOV N N， ATANASOV P A. Molecular dynamics simulation study of deep hole drilling in iron by ultrashort laser pulses［J］. Applied Surface Science， 2006， 252（13）： 4411-4415.
[6]	ZHANG Y M， SHEN Z H， NI X W. Modeling and simulation on long pulse laser drilling processing［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 73： 429-437.
[7]	EBRAHIMZADE V， HAASLER D， MALZBENDER J. Failure mechanism and lifetime of various laser-drilled APS-TBC systems under LCF conditions［J］. Engineering Failure Analysis， 2021， 127： 105526.
[8]	卢绪平，王跃，陈墨，等. 气膜孔对DD6镍基单晶高温合金高周疲劳强度的影响研究［J］. 推进技术， 2024， 45（8）： 2311016.
	LU X P， WANG Y， CHEN M， et al. Effects of film cooling holes on high cycle fatigue strength of DD6 Ni-based single-crystal superalloy［J］. Journal of Propulsion Technology， 2024， 45（8）： 2311016 （in Chinese）.
[9]	张志金，张明岐. DD6单晶带气膜孔平板试件高周疲劳性能研究［J］. 电加工与模具， 2021（1）： 60-63.
	ZHANG Z J， ZHANG M Q. Research on high-cycle fatigue behavior of DD6 alloy plate with film-cooling holes［J］. Electromachining & Mould， 2021（1）： 60-63 （in Chinese）.
[10]	胡春燕，刘新灵，陶春虎. 气膜孔分布对DD6单晶高温合金高周疲劳断裂行为的影响［J］. 材料工程， 2017， 45（4）： 84-89.
	HU C Y， LIU X L， TAO C H， Influence of cooling holes distribution on high cycle fatigue fracture behavior of DD 6 single crystal superalloy［J］. Journal of Materials Engineering， 2017， 45（4）： 84-89 （in Chinese）.
[11]	陈龙. 镍基单晶气膜孔结构疲劳性能研究［D］. 西安：西安建筑科技大学， 2014： 27-40.
	CHEN L. Research on fatigue property of the nickel based singlecrystal film cooling hole structures［D］. Xi’an： Xi’an University of Architecture and Technology， 2014： 27-40 （in Chinese）.
[12]	ZHANG Z F， WANG W H， JIANG R X， et al. Tensile behavior of single-crystal superalloy with different structured cooling holes［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2022， 229： 107514.
[13]	MUSINSKI W D， MCDOWELL D L. Microstructure-sensitive probabilistic modeling of HCF crack initiation and early crack growth in Ni-base superalloy IN100 notched components［J］. International Journal of Fatigue， 2012， 37： 41-53.
[14]	PARIS P， ERDOGAN F. A critical analysis of crack propagation laws［J］. Journal of Fluids Engineering， Transactions of the ASME， 1963， 85（4）： 528-533.
[15]	ZHANG L， ZHAO L G， ROY A， et al. In-situ SEM study of slip-controlled short-crack growth in single-crystal nickel superalloy［J］. Materials Science and Engineering： A， 2019， 742： 564-572.
[16]	HONG H U， KANG J G， CHOI B G， et al. A comparative study on thermomechanical and low cycle fatigue failures of a single crystal nickel-based superalloy［J］. International Journal of Fatigue， 2011， 33（12）： 1592-1599.
[17]	GUO Z X， SONG Z Y， FAN J， et al. Experimental and analytical investigation on service life of film cooling structure for single crystal turbine blade［J］. International Journal of Fatigue， 2021， 150： 106318.
[18]	中国航空工业总公司. ─金属材料轴向加载疲劳试验方法： HB 5287-1996 ［S］. 1996.
	Aviation Industry Corporation of China. ─Test method for axial loading fatigue of metal materials ［S］. 1996 （in Chinese）.
[19]	ASTM International. ─Standard practice for conducting force controlled constant amplitude axial fatigue tests of metallic materials ［S］. 2021.
[20]	HAJIGHAFOORI BOUKANI N， DADVAND A， CHAMKHA A J. Melting of a Nano-enhanced Phase Change Material （NePCM） in partially-filled horizontal elliptical capsules with different aspect ratios［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 149： 164-177.
[21]	LI F， WEN Z X， LUO L， et al. Fatigue life estimation of nickel-based single crystal superalloy with different inclined film cooling holes： Initial damage quantification and coupling of damage-fracture mechanics models［J］. International Journal of Plasticity， 2024， 176： 103967.
[22]	OLIVEIRA V， VILAR R. Finite element simulation of pulsed laser ablation of titanium carbide［J］. Applied Surface Science， 2007， 253（19）： 7810-7814.
[23]	PEI H Q， WANG S S， YANG Y Z， et al. Thermal fatigue failure analysis and life assessment of Ni-based single crystal superalloys with film cooling holes［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2024， 301： 110036.
[24]	LIANG J W， WANG J B， ZHANG D X， et al. Coupling model for the gradient loading creep behavior of nickel-based single-crystal superalloys［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2023， 294： 109688.
[25]	《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册：第二卷：变形高温合金、铸造高温合金［M］. 第2版，北京：中国标准出版社， 2002： 812.
	Editor Committee of Chinese Handbook of Aeronautical Materials. China aeronautical materials handbook： Deforming superalloy and casting superalloy［M］. 2nd ed， Beijing： Standards Press of China， 2002： 812 （in Chinese）.
[26]	KOLEDNIK O， SCHÖNGRUNDNER R， FISCHER F D. A new view on J-integrals in elastic-plastic materials［J］. International Journal of Fracture， 2014， 187（1）： 77-107.
[27]	OCHENSBERGER W， KOLEDNIK O. Physically appropriate characterization of fatigue crack propagation rate in elastic-plastic materials using the J-integral concept［J］. International Journal of Fracture， 2015， 192（1）： 25-45.
[28]	ZHANG Z， LV J， LI X， et al. A fatigue model based on M-integral in notched elastic-plastic material［J］. International Journal of Solids and Structures， 2021， 232： 111203.
[29]	HEIN J， KUNA M. A generalized J-integral for thermal shock analyses of 3D surface cracks in spatially and temperature dependent materials［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2017， 92： 318-330.
[30]	GOLEBIEWSKA HERRMANN A， HERRMANN G. On energy-release rates for a plane crack［J］. Journal of Applied Mechanics， Transactions ASME， 1981， 48（3）： 525-528.
[31]	LI F， WEN Z X， LUO L， et al. Fatigue life prediction of film-cooling hole specimens with initial damage［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2025， 285： 109789.

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参数	数值
平均功率/W	12
光斑半径/μm	12
激光波长/nm	1 030
脉冲持续时间/fs	220
激光频率/kHz	100
激光扫描速度/（r·min^-1）	2 500
吹气压力/MPa	0.7

参数	数值
最大应力/MPa	560
温度/℃	980
应力比	0.1
频率/Hz	5
有效试样数量	6

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Fatigue fracture behavior of femtosecond-laser-processed film cooling holes in nickel-based single-crystal superalloys

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[1]	刘凯, 王芳丽, 陈滨琦, 陈向明, 沈子实, 童明波. 基于各向异性相场模型的变刚度复合材料开孔板失效行为分析[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532380-532380.
[2]	秦豪, 刘强, 江荣, 宋迎东, 张强, 刘建涛, 邓健, 卢天健. 高温条件下FGH4108合金的保载-疲劳裂纹扩展行为[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532364-532364.
[3]	赵世成, 江荣, 龚浩翔, 张禄, 卢绪平, 查海勇, 宋迎东. 异形气膜孔对镍基单晶合金蠕变性能的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 429737-429737.
[4]	韦鼎元, 章思龙, 韦健飞, 左婧滢, 李欣, 鲍文. 高马赫数燃烧室离散孔燃料膜热防护和减阻特性[J]. 航空学报, 2024, 45(11): 529075-529075.
[5]	邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.
[6]	景向嵘, 程盼, 罗振兵, 高天翔, 周岩, 邓雄. 电弧放电激励器破除冰特性及裂纹扩展规律[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 204-213.
[7]	张子瑜, 郝林. 扩展有限元法在断裂力学相场模型中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 225976-225976.
[8]	李晓阳, 陶昭, 张慰. 基于不确定微分方程的疲劳可靠性建模[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225820-225820.
[9]	王秋懿, 吴彦增, 鲍蕊. 疲劳裂纹扩展过程中的CTOD相关参量分析[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526632-526632.
[10]	苏少普, 常文魁, 陈先民. 飞机典型壁板结构剪切屈曲疲劳试验与分析方法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 225219-225219.
[11]	杨夏炜, 彭冲, 马铁军, 温国栋, 王艳莹, 柴小霞, 徐雅欣, 李文亚. 高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展有限元分析[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 625004-625004.
[12]	段佳桐, 隋福成, 刘汉海, 解放, 欧阳天, 鲍蕊. 弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能[J]. 航空学报, 2021, 42(5): 524326-524326.
[13]	奚蔚, 李强, 沈培良, 何瑞, 杨刚, 刘世杰. 一种多部位损伤全寿命分析的工程方法[J]. 航空学报, 2021, 42(5): 524328-524328.
[14]	赵圆圆, 曾飞, 李洋, 甘明瑜, 施圣贤. 基于光场成像的快照式气膜孔三维测量技术[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524158-524158.
[15]	常琦, 杨维希, 赵恒, 孟瑶, 刘君, 高鹤明. 基于多传感器的裂纹扩展监测研究[J]. 航空学报, 2020, 41(2): 223336-223336.