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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, 温志勋, 罗磊, 岳珠峰, 刘智名

航空学报 2026, 47 (5): 432400-432400. DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32400

摘要（445）

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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。

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

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表3 ｛311｝晶面位置参数值

正文中引用本图/表的段落

目前的气膜孔加工方式主要有：飞秒激光加工、电火花加工、电液束加工以及复合加工工艺等［2］。相比之下，飞秒激光凭借其超短脉冲与超高峰值功率的加工特性为消除再铸层、优化孔边表面完整性提供了全新路径，是目前最具潜力的一种叶片制孔技术。在飞秒激光制孔过程中涉及材料多种相态转变，加工质量离散度大，工艺可控性低。为了阐明这一问题，众多学者提出了不同分析方法对飞秒激光制孔过程进行仿真模拟，例如，Zhang等［3］基于分子动力学方法在原子尺度上揭示了加工过程孔型严重的锥化。Tao等［4］通过数值求解三维麦克斯韦方程，揭示了激光束形态会显著影响小孔孔型。此外，Nedialkov和Atanasov［5］基于分子动力学模型解释了制孔过程中材料会在孔壁表面沉积形成再铸层。Zhang等［6］采用流体动力学方法对制孔过程相变进行建模，模拟了小孔形成过程与熔体喷射物理机制。然而，这些方法普遍存在计算复杂、过程简化、无法准确描述超快非平衡过程等问题。

螺旋激光聚焦于工件上表面，激光能量为面热源，单点激光呈高斯空间分布。在三维空间上，激光光源沿厚度方向z轴的匀速进给间距为0.01 mm，且在x-y平面上的轨迹遵循阿基米德螺旋方程，保证相邻圆之间间距相等，激光能量

I (x)

和运动轨迹方程分别由式（11）和式（12）表示。引入由于蒸发、对流和自由表面辐射导致的热损伤，对式（3）进行修正，得到考虑了固-液-汽三相的能量守恒方程为式（13）。

运用X射线衍射结合Ortner法选择｛311｝晶面族作为试验坐标系，其中L是在Ψ和Φ角方位的晶面（hkl）法方向，选择（1 1 3）、（3 1 1）、（3 -1 1）、（1 -1 3）、（-1 -1 3）、（-1 1 3）进行衍射，距离孔边10 μm范围测量得到的每个晶面的取向角Φ和Ψ及晶面间距

d_{h k l}^{l}

如表3所示，晶体平面位置参数（Φ、Ψ）的步距精度为0.5°，衍射角（θ）的步距精度为0.05°。

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