飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术研究进展

航空发动机涡轮叶片采用热障涂层技术和气膜孔冷却技术可以大大提升叶片的耐温能力,因此可以显著提高发动机的工作温度使其具有更高的推重比和效率。而在带有热障涂层叶片上实现高品质和高精度冷却气膜孔的加工是发动机制造技术的难点。由于飞秒激光加工具有材料无选择性、无热影响区及加工精度高等特点,因此飞秒激光成为加工带热障涂层叶片气膜孔的研究热点。阐述了飞秒激光与叶片涂层和基体材料的作用原理和飞秒激光微孔加工的技术特点,介绍了飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术的研究过程和发展现状,展望了该技术在高精度带热障涂层叶片气膜孔制造中的应用前景。     

叶片气膜孔加工与测量技术的现状及发展趋势

高推重比航空发动机普遍采用气膜冷却技术,叶片气膜冷却孔的加工精度直接影响发动机效能。气膜冷却孔具有孔径小、数量多、深径比高、空间角度复杂的特点,其加工难度大、成形精度要求高。针对当前国外对叶片气膜孔加工技术与装备的严格保密,以及国内气膜孔加工中存在的几何精度偏低、质量不稳定的现状,对气膜孔加工的现状及发展趋势进行归纳总结,为气膜孔加工技术与装备的发展提供参考。首先,概述了叶片气膜孔精确加工的必要性及其重要性,分别介绍了现有气膜孔的加工方法,分析了当前加工方法存在的问题与面临的挑战。鉴于气膜孔精密测量的需要,介绍了现有的气膜孔测量技术。最后,根据气膜孔加工与测量的技术现状及关键核心问题指出了气膜孔加工与测量技术的发展趋势。     

激光微孔加工技术及应用

随着高端、精密装备的飞速发展,人们对高质量、大深径比微孔的需求越来越紧迫.基于此,介绍了飞秒激光与水导激光两种加工微孔的技术,首先探讨了两种微孔加工技术的原理并且回顾了两种微孔加工技术的研究现状;然后着重讨论了激光工艺参数、打孔方式、加工环境(真空、气体、液体、化学环境)、激光与水束光纤耦合对于高质量微孔加工的影响;最后总结了两种微孔加工技术在航空航天领域的应用以及当前面临的问题.     

电极摇动对微细电火花加工微孔深径比的影响

微细电火花具备加工任何导电材料和大深径比微孔的能力。但是随着孔深度的增加,气泡和加工屑很难排出孔外,导致频繁的非正常放电,从而使得电火花常规放电状态下微孔的深径比有限,然而电极摇动可以为电火花狭小放电间隙提供一个非均匀的流场,提高了排屑能力,这有助于提高微孔的深径比。着重研究微孔加工在去离子水和油两种介质下,电极摇动参数和电参数对微孔深径比的影响。试验结果表明:电火花常规放电状态下微孔的深径比随着摇动半径和电容的增加而增加,摇动速度对微孔深径比则没有明显的影响,这为实际生产中加工大深径比微孔提供了参考依据。     

涡轮叶片先进气膜冷却与相关激光打孔技术进展

航空发动机涡轮叶片依赖于高温基体、热障陶瓷涂层和气膜冷却技术实现高的工作温度,进而实现高的燃油效率和推重比.介绍了气膜冷却技术的演化趋势,并通过猫耳异型孔与直圆孔的仿真对比,指出复杂异型气膜孔的重要性.进一步论述了单步加工异型孔的必要性和工艺方案,指出为解决单晶叶片异型孔加工难题,超短脉冲激光加工虽然成为研究热点,但水助激光加工更应该引起重视.     

热障涂层高温合金气膜孔电火花加工技术研究

针对现今航空发动机叶片气膜孔传统电火花加工方法存在的生产周期长,ND:YAG激光加工方法加工质量较差的问题,提出基于辅助电极法的气膜孔电火花一次加工成形技术。针对该方法开展了4项关键技术研究,包括热障涂层高温合金数控系统、放电状态辨识系统、脉冲电源和基于模糊控制的伺服控制系统。基于上述技术,研制热障涂层高温合金气膜孔电火花加工控制系统,以实现加工过程中间隙放电状态的准确调节,提高加工效率与加工质量。以φ0.5mm气膜孔加工为例,与常规电火花加工控制系统进行对比试验,验证该技术有效性,研制试验表明,采用自行研制热障涂层高温合金电火花加工控制系统,可提高加工效率达110%,且孔口无微孔隙,交界面无分层微裂纹缺陷,验证试验表明,该系统可有效提高加工效率与加工质量。     

二次法激光加工小孔技术

为了提高激光加工航空发动机气膜冷却孔质量,介绍了一种采用焦耳级脉冲能量毫秒激光在镍基高温合金上快速加工初始通孔,再采用毫焦耳级脉冲能量纳秒激光扩孔的二次加工小孔方法。通过该方法试图消除毫秒激光加工小孔产生的再铸层以及解决纳秒激光直接加工几乎无再铸层小孔效率低、深度有限的问题,从而实现更高效率加工高质量气膜冷却孔。试验研究结果表明,该方法可以有效去除毫秒激光加工小孔孔壁的再铸层,改善孔壁表面质量,与纳秒激光直接加工小孔比较,在加工1 mm左右深的小孔时可以提高加工效率,但加工2 mm以上深度的小孔时,对提高加工效率的作用不明显。基于试验结果及分析,对二次法加工小孔提出了改进措施。     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

镍基单晶材料皮秒级超短脉冲激光气膜孔加工表面完整性研究

利用皮秒超短脉冲激光加工镍基单晶材料气膜孔,采用物理超景深显微镜对气膜孔成型几何形貌进行判定,采用金相显微镜对气膜孔内腔表面组织进行观测,采用高温低周疲劳设备对皮秒超短脉冲激光和电火花两种工艺加工出的气膜孔试样进行性能对比验证,采用扫描电镜对性能试样断口进行分析。结果表明:采用皮秒超短脉冲激光分步加工气膜孔,通过有效控制能量密度,可实现气膜孔进出口表面无烧蚀,几何精度满足设计指标,内腔无重熔层、断续小珠、起弧及微裂纹等缺陷,有效提升了气膜孔加工的表面完整性;通过皮秒超短脉冲激光及电火花气膜孔加工试样高温低周疲劳性能对比试验,皮秒超短脉冲激光制孔试样循环次数是电火花制孔试样的3倍;通过对两种工艺制孔高温低周疲劳断裂后试样进行扫描电镜断口分析,两种工艺加工试样断裂均为解理断裂,无材质冶金缺陷,电火花打孔形成的重熔层可能对断裂有贡献,超短脉冲激光打孔未见明显重熔层。     

激光陀螺光学加工的特点

阐述了激光陀螺光学加工的特点。指出激光陀螺的光学加工是本着构成满足特定要求的激光谐振腔的目的,以谐振腔工作时的性能要求为依据,采用其自身特有的打孔和抛光工艺,来严格保证孔的直线度、孔与孔、孔与面之间位置度公差要求。其中涉及的大深径比细长孔加工、不规则内孔抛光、超光滑表面加工及相对已成形孔有严格位置、角度精度要求的面形抛光更是突出了激光陀螺光学加工的特色。     

航空发动机叶片气膜孔测量技术研究

基于航空发动机叶片冷却气膜孔的设计、加工和国家＂十一五＂计量科研项目的技术攻关及检测试验研究,本文简要介绍了叶片气膜孔位置度检测技术的思路、途径和方法,力求解决叶片气膜孔加工中的量值传递或溯源的难题,使我国在叶片等空间曲面小孔测量领域实现重大突破。     

高能束流加工技术在航空领域的应用进展

以激光/电子束为代表的高能束流加工是航空装备研制中不可或缺的技术,也是当今先进制造技术发展的前沿领域。本文分别介绍了高能束流加工技术在航空结构的焊接、增材制造、表面改性中的应用：激光/电子束焊接实现了飞行器大尺寸机身结构与航空发动机结构的整体化。激光/电子束增材制造实现了复杂结构的轻量化与快速成形,并广泛应用于发动机叶片修复。在表面改性方面,激光冲击强化大幅改善了航空结构的疲劳性能;超快激光可用于涡轮叶片气膜孔的高精度制备以及表面微纳功能结构的制备;电子束加工出的表面尖峰大幅提升了金属-复材接头的强度。最后,从新材料、新结构、加工过程质量监控这3个方向对高能束流加工技术的发展趋势进行了展望。     

涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展

气膜孔加工技术作为先进航空发动机制造关键技术而被广泛应用,气膜孔加工质量直接关系到发动机的使用安全,应引起重视,同时也作为特种加工技术的重要应用领域而得到迅速发展。     

电火花加工环形多层气膜孔

介绍了高精度航空发动机环形多层气膜孔的多电极电火花加工技术。采用ＲＤ１－Ａ型多电极数控电火花机床,优选ＥＤＭ参数,有效地提高了气膜孔的加工质量和效率。     

电液束加工特性及小孔形貌控制技术研究

论述了一种用于航空发动机单晶涡轮叶片气膜孔加工的工艺技术——电液束加工技术。重点从电液束加工机理、工艺对单晶基体组织的影响、孔口形貌特征及控制方法等几方面进行了详细阐述,尤其是针对几种典型的孔口缺陷提出了有效的工艺控制方法,确保了气膜孔加工的表面质量,获得了质量良好的孔口形貌。     

微孔、小孔、深孔和群孔的加工

本文结合航空机载设备的特点和需要,收集整理了微孔、小孔、深孔和群孔的几种行之有效的加工方法,简要地介绍了每种方法的加工机理、特点、工艺参数、设备情况及其适用范围。     

利用W型槽提高气膜冷却效率机理

为了探讨圆柱孔出口开有W型槽结构的气膜冷却机理,数值模拟研究了W型槽与横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了W型槽深度对气膜冷却效率的影响。结果表明:相比于横向槽,W型槽结构展向平均气膜冷却效率提高70%～130%。随着W型槽深度增加,气膜孔出口下游的对漩涡减弱,两侧的附加漩涡增强,最终形成一对反向对漩涡。小吹风比0.5时,三种W型槽深结构的展向平均气膜冷却效率差别小于8%;大吹风比1.5时,槽深0.5D(D为气膜孔孔径)结构展向平均气膜冷却效率高于槽深0.25D结构的展向平均气膜冷却效率75%～150%。槽深0.5D和0.75D结构的展向平均气膜冷却效率基本相同,差别小于3%。     

航发涡轮叶片气膜孔的磨削加工实验

针对目前航空发动机涡轮叶片气膜孔加工精度低和重熔层难去除的问题,提出了"电火花打孔、磨削扩孔"的新型气膜孔加工工艺,研制出小孔磨削专用微细CBN砂轮并对电火花气膜孔进行了磨削工艺实验。实验结果表明:经磨削加工后气膜孔圆度降低50.9%,孔径尺寸标准差降低90.7%,表面粗糙度降低65.9%,重熔层被全部去除,证明了航发涡轮叶片气膜孔磨削加工的可行性。     

多轴数控电火花高速小孔加工技术

分析介绍了电火花高速小孔加工原理和特点,重点叙述了围绕提高航空发动机叶片气膜孔加工质量,对若干关键技术进行攻关提升以及多轴数控电火花高速小孔加工技术和设备在航天、航空等关键制造业的应用情况.     

基于锥束CT的飞秒激光加工气膜孔几何特征测量及表征

针对当前国内气膜孔加工存在的几何精度偏低、质量不稳定现状，通过计算机断层成像技术利用气膜孔切片图像，在特征分割、点云拟合基础上对不同工艺参数激光加工的气膜孔孔径及几何特征质量进行检测与评价。结果表明：超快激光工艺参数的圆形气膜孔通孔入口直径略大于出口，锥度在0.005°～0.020°之间，位置度误差最大为?0.072 mm，异型气膜孔入射角的范围在60°～70°之间。使用锥束CT(computed tomography)测量方法对气膜孔几何特征进行检测与评价是可靠的，具有重要工程应用价值。