مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

تحلیل و بررسی شرایط محیطی در سوراخ‌کاری لیزری روی‌ ورق سوپرآلیاژ هستلوی ایکس با استفاده از لیزر فیبری

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مصطفی قدیمی دفرازی 1
سید مسعود برکت 1
رضا شجاع رضوی 2
علی خرم 1
محمد عرفان‌منش 1
1 مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران
2 مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران و دانشکده مهندسی مکانیک، مواد و ساخت تولید، دانشکده علوم و مهندسی، دانشگاه ناتینگهام نینگبو، جمهوری خلق چین
چکیده
مقدمه و اهداف: سوراخ‌کاری لیزری، به دلیل دقت و قابلیت ماشین‌کاری مواد پیشرفته، در صنایع هوافضا، انرژی و پزشکی کاربرد دارد. بااین‌حال، تشکیل لایه بازمنجمدشده، بازرسوب مذاب و کاهش کیفیت دیواره سوراخ، از مهم‌ترین چالش‌های این فرایند در سوپرآلیاژهای پایه نیکل است. در این پژوهش، تأثیر محیط فرایند و اعمال میدان مغناطیسی بر کیفیت ریخت‌شناسی سوراخ‌های هستلوی ایکس (X) با استفاده از لیزر فیبری بررسی شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش‌های سوراخ‌کاری تک‌پالس روی ورق یک میلی‌متری سوپرآلیاژ هستلوی X، در سه شرایط شامل گاز محافظ آرگون، گاز محافظ همراه با آب مقطر و گاز محافظ همراه با آب مقطر تحت میدان مغناطیسی انجام شد. ریخت‌شناسی ورودی، خروجی، دیواره و مقطع طولی سوراخ‌ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی و تغییرات ترکیب شیمیایی با طیف‌سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد شرایط محیطی فرایند بر رفتار مذاب، تشکیل لایه بازمنجمدشده، کیفیت دیواره سوراخ و توزیع عناصر تأثیرگذار است. استفاده از آب مقطر موجب کاهش بازرسوب مذاب و بهبود یکنواختی دیواره شد. همچنین، اعمال میدان مغناطیسی با هدایت جریان مذاب، ناپیوستگی‌های سطحی را کاهش داد و ریخت‌شناسی دیواره را یکنواخت‌تر کرد. نتایج طیف‌سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس نیز نشان داد تغییرات ترکیب شیمیایی، عمدتا به نواحی مجاور سوراخ محدود بوده و فلز پایه تغییر محسوسی نداشت.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد استفاده از آب مقطر و میدان مغناطیسی با کنترل رفتار مذاب و کاهش بازرسوب آن، کیفیت ریخت‌شناسی سوراخ‌های ایجادشده را بهبود می‌دهد. این روش می‌تواند راهکاری موثر برای افزایش کیفیت سوراخ‌کاری لیزری سوپرآلیاژهای پایه نیکل در کاربردهای مهندسی باشد.
کلیدواژه‌ها
سوراخ‌کاری لیزری
سوپرآلیاژ هستلوی X
میدان مغناطیسی
سوراخ‌کاری لیزری مبتنی بر کمک آب
ریخت‌شناسی سطح
موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis and Investigation of Environmental Conditions in Fiber Laser Drilling of Hastelloy X Superalloy Sheets

نویسندگان English

Mostafa Ghadimi Dafrazi 1
Masoud Barkat 1
Reza Shoja Razavi 2
َAli Khoram 1
Mohammad Erfanmanesh 1
1 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Iran
2 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Iran and Department of Mechanical, Materials and Manufacturing Engineering, Faculty of Science and Engineering, University of Nottingham, Ningbo, People’s Republic of China
چکیده English

Introduction and Objectives: Laser drilling is widely used in the aerospace, energy, and medical industries because of its high precision and ability to machine advanced materials. However, the formation of a recast layer, molten material redeposition, and deterioration of hole wall quality remain major challenges in nickel-based superalloys. This study investigated the effects of the processing environment and the application of a magnetic field on the morphological quality of laser-drilled holes in Hastelloy X superalloy using a fiber laser.
Materials and Methods: Single-pulse laser drilling experiments were performed on 1-mm-thick Hastelloy X sheets under three processing conditions including argon shielding gas, argon shielding gas with distilled water, and argon shielding gas with distilled water under a magnetic field. The inlet, outlet, sidewall, and longitudinal cross-sectional morphologies of the holes were examined using scanning electron microscopy, while changes in chemical composition were analyzed by energy-dispersive X-ray spectroscopy.
Results: The results showed that the processing environment significantly affected molten material behavior, recast layer formation, hole wall quality, and elemental distribution. The use of distilled water reduced molten material redeposition and improved hole wall uniformity. Furthermore, applying a magnetic field guided the molten material flow resulted in fewer surface discontinuities and a more uniform hole wall morphology. energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis indicated that compositional changes were mainly confined to the regions adjacent to the hole, whereas the base metal exhibited no significant changes.
Conclusion: The results of this research indicated that combined use of distilled water and a magnetic field improved the morphological quality of laser-drilled holes by controlling molten material behavior and reducing its redeposition. This approach can serve as an effective method for enhancing the quality of laser drilling in nickel-based superalloys for engineering applications.

کلیدواژه‌ها English

Laser drilling
Hastelloy X superalloy
Magnetic field
Water-assisted laser drilling
Surface morphology
1. Bahar ND, Marimuthu S, Yahya WJ. Pulsed Nd:YAG laser drilling of aerospace materials (Ti-6Al-4V). IOP Conf Ser: Mater Sci Eng. 2016;152:012056. https://doi.org/10.1088/1757-899X/152/1/012056
2. Tu J, Paleocrassas AG, Reeves N, Rajule N. Experimental characterization of a micro-hole drilling process with short micro-second pulses by a CW single-mode fiber laser. Opt Lasers Eng. 2014;55:275-283. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2013.11.002
3. Ghadimi Dafrazi M, Barooghi Bonab B. Investigation of the process of forming a bowl-shaped part with Hastelloy raw materials using rotational forming method. In: Proceedings of the 6th International and 17th National Conference on Manufacturing Engineering (ICME 2021); 2021 Mar 2-4; Tehran (Iran. Persian).
4. Behera RR, Sankar MR. State of the art on under liquid laser beam machining. Mater Today Proc. 2015;2(4-5):1731-1740. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.07.007
5. Wang W, Song H, Liao K, Mei X. Water-assisted femtosecond laser drilling of 4H-SiC to eliminate cracks and surface material shedding. Int J Adv Manuf Technol. 2021;112:553-562. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06262-1
6. Tan Y, Chu W, Wang P, Li W, Wang Z, Cheng Y. Water-assisted laser drilling of high-aspect-ratio 3D microchannels in glass with spatiotemporally focused femtosecond laser pulses. Opt Mater Express. 2019;9(5):1971-1978. https://doi.org/10.1364/OME.9.001971
7. Wu C, Fang X, Kang Q, Sun H, Zhao L, Tian B, et al. Crystal cleavage, periodic nanostructure and surface modification of SiC ablated by femtosecond laser in different media. Surf Coat Technol. 2021;424:127652. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127652
8. Mendiratta M, Prakash S. Improved quality micro-hole fabrication using backside water assisted laser micro drilling in titanium. Eng Res Express. 2025; 7:015402. https://doi.org/10.1088/2631-8695/ada88a
9. Hong ZY, Okano K, Di Carlo D, Tanaka Y, Yalikun Y, Hosokawa Y. High-speed micro-particle manipulation in a microfluidic chip by directional femtosecond laser impulse. Sens Actuators A Phys. 2019;297:111566. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111566
10. Wang L, Yang H, Ren N, Wu Z, Xia K. Experimental characterization of laser trepanned microholes in superalloy GH4220 with water-based assistance. Micromachines. 2022;13(12):2249. https://doi.org/10.3390/mi13122249
11. Dafrazi MG, Razavi RS, Barkat M, Khoram A, Erfanmanesh M. Statistical experimental investigation of the effect of focal length and displacement on laser drilling of Hastelloy-X superalloy sheet using single pulse fiber laser. J Adv Mater Eng. 2026;44(2):49-66 (In Persian). https://doi.org/10.47176/jame.44.2.1083
12. Ghadimi Dafrazi M, Shoja Razavi R, Barekat M, Khoram A, Erfanmanesh M. Statistical-experimental optimisation of laser drilling on Hastelloy X superalloy. Can Metall Q. 2025. https://doi.org/10.1080/00084433.2025.2593700
13. Sivaprasad P, Noorul Haq A. Accuracy and surface integrity analysis of micro holes drilled on Hastelloy-X alloy using a laser source with optimization. Surf Rev Lett. 2020;27(6):1950109. https://doi.org/10.1142/S0218625X19501099
14.  Wang L, Rong Y, Xu L, Wu C, Xia K. Study on laser drilling of micro-holes using a breakthrough detection method. Materials 2025;18(16):3764. https://doi.org/10.3390/ma18163764
15. Zhang Y, Qiao H, Zhao J, Cao Z, Liang J, Zhang Q. Numerical and experimental study on the stability of water-beam fiber in double coaxial gas-assisted water jet guided laser machining. Opt Laser Technol. 2025;190:113221. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113221
16. Mendiratta M, Prakash S. Investigation and process optimization of backside thin water layer assisted laser micro-drilling of titanium. Lasers Manuf Mater Process 2025;12(2):1-28. https://doi.org/10.1007/s40516-025-00288-7
17. Gao L, Liu C, Liu J, Wang K. Femtosecond laser drilling of SiC/SiC composites in longitudinal magnetic field and semi-water immersion assistance. Opt Laser Technol. 2025;181:111955. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111955
18. Gravel JFY, Boudreau D. Study by focused shadowgraphy of the effect of laser irradiance on laser-induced plasma formation and ablation rate in various gases.  Spectrochim Acta Pt B-Atom Spectrosc. 2009;64(1):56-65. https://doi.org/10.1016/j.sab.2008.10.037
19. Low DKY, Li L, Corfe AG. Effects of assist gas on the physical characteristics of spatter during laser percussion drilling of NIMONIC 263 alloy. Appl Surf Sci. 2000;154:689-695. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(99)00427-4
20. Otto CR, Doroudi A, Vaseghi M, Davami K. The effect of assist gas type on nitinol microsecond laser cut edges: a study on the use of oxygen, argon, nitrogen, helium, and compressed air. Eng Res Express. 2024;6(4):045583. https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad980f
21. Marimuthu S, Elkington H, Smith B. Millisecond fibre laser drilling of thick-section aerospace alloy. Int J Adv Manuf Technol. 2022;119(5-6):3437-3447. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08435-y
22. Xia K, Wang L, Li M, Yang H. Analysis of the effects of water temperature on water-assisted laser trepanning in superalloys. Metals 2024;14(8):943. https://doi.org/10.3390/met14080943
 
 
مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 09 شهریور 1405

تحت نظارت وف ایرانی