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。     

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.      

基于光场成像的快照式气膜孔三维测量技术

叶片气膜孔的几何参数对其冷却效率具有十分重要的影响,需采取有效手段对加工的气膜孔几何参数进行检测。基于光场成像原理,初步探索了单光场相机快照式三维测量技术在气膜孔检测上的应用。与其他光学测量技术相比,该技术仅通过一次拍摄,即可快速从捕获的单张原始光场图像中计算得到气膜孔的三维点云数据,其数据采集效率很高。实验中对一组标准量块进行了测量,展示了单光场相机应用于工业级精密测量的潜力。对实际叶片上气膜孔几何参数的检测结果初步表明了该技术应用于气膜孔三维测量的可能性。由于单光场相机成像系统的结构简单,易于操作且便于与其他传感器设备集成,可为气膜孔三维测量问题提供一种新的解决方案。     

涡轮导向叶片气膜孔的加工

介绍了中推预研核心机涡轮导向叶片气膜孔的激光加工工艺，主要讨论了叶身的定位与夹紧，激光打孔孔位进给量的计算以及主要激光参数的选择。     

航空发动机高压涡轮叶片气膜孔电火花加工工艺参数对重熔层的影响

本文分析了采用电火花加工气膜孔时不同工艺参数对重熔层的影响。结果表明:在相同脉冲宽度、脉冲间隔的情况下,加工电流越大,重熔层厚度越大;在相同加工电流、脉冲间隔的情况下,脉冲宽度越大,重熔层厚度越大;对比6组工艺参数可知,5#、6#叶片电火花加工气膜孔的重熔层质量较好,但5#叶片气膜孔的加工效率高于6#叶片气膜孔。     

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。     

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。     

逆压力梯度下几何参数对气膜冷却效率的影响

采用放大模型在低速回流式风洞中进行了实验,研究了逆压力梯度下圆柱形孔、扇形孔和双向扩张形孔的气膜冷却效率,分析了孔间距、前倾角和径向角等几何参数对气膜冷却效率的影响.结果表明:扇形孔的气膜冷却效率最大,双向扩张形孔次之,圆柱形孔最小.孔间距越小,气膜冷却效率越大,且动量比越小,孔间距的影响越大.前倾角越小,气膜冷却效率越大,动量比越大,前倾角的影响越大.径向角的影响较复杂,小于30°且递增时,气膜冷却效率随动量比的增大而减小;大于30°时,气膜冷却效率随径向角的增大而减小.      

飞秒激光气膜孔对面壁无损伤制孔工艺研究

针对飞秒激光涡轮叶片气膜孔加工过程中对面壁损伤问题,提出采用叶片腔体内材料填充的方式来避免加工过程中对面壁损伤的产生。首先对填充材料进行选择,并对填充后试样及叶片微孔对面壁无损伤制孔工艺进行研究,通过检测结果可以发现腔体内刚玉的填充可以实现样件对面壁的保护,并且对微孔加工质量无影响。     

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.     

涡轮叶片型面气膜孔流量系数的计算方法

在Rowbury D A等提出的算法基础上进行了改进，使该算法更适合用来计算压比较小情况下尤其是叶片前缘区域的气膜孔流量系数。该算法主要考虑了气膜孔出口主流流动状况、气膜孔几何参数和孔内流动雷诺数对气膜孔流量系数的影响。经过实验数据对比验证，表明该算法可能成为设计型面气膜冷却的一种通用方法。     

基于真实密度比的单/三排扇形孔气膜冷却性能及流阻特性

在真实密度比条件下对单排和三排的扇形气膜孔的传热和流阻特性进行了实验研究。采用压敏漆（PSP）技术对单/三排定出口宽度的扇形孔进行风洞实验,研究了在真实密度比条件下不同孔形参数的扇形气膜孔的传热和流阻特性的差异,得到了不同孔形参数的扇形孔出现冷气射流吹离热侧壁面的大致临界吹风比以及实现展向平均气膜冷却效率最高的孔型结构参数。实验结果表明:在所研究的孔形参数范围内,扇形孔在吹风比小于1.5时没有出现冷气射流吹离壁面的现象,且倾斜角为20°、扩散角为15°的扇形孔的气膜冷却性能最好;而当吹风比为2.0时则出现了不同程度的吹离热侧壁面的现象,且倾斜角为25°、扩散角为10°的扇形孔的气膜冷却效率最大。此外,倾斜角为25°、扩散角为13°和倾斜角为30°、扩散角为10°的扇形孔流量系数最高。      

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。     

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。     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

离散孔板冷却效率及其换热规律的研究

对离散孔平板试件的气膜冷却效率进行了大量的实验研究,分析了离散孔板的几何参数及来流的气动参数对孔板气膜冷却效率的影响,用热平衡法建立了离散孔平板气膜冷却对流换热模型,在试验中对6种不同开孔结构的平板试件进行了测量,并用最小二乘法拟合出了相应的关系式及关系曲线。      

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。     

冲击距与气膜孔方位角对旋流气膜冷却性能影响

为了获得冲击距Hi与气膜孔方位角α对旋流气膜冷却性能的影响规律,以六边形供气腔圆形气膜孔平板气膜冷却结构为研究对象,对五种冲击距参数(0.74D,1.14D,1.54D,1.94D,2.34D)(D为气膜孔直径)和五种气膜孔方位角参数(0°,10°,15°,20°,25°)进行了三维数值计算研究,得到了绝热壁面气膜冷却效率、展向平均气膜冷却效率、流场空间无量纲浓度分布等随冲击距与气膜孔方位角的变化规律,分析了肾形涡对旋流气膜冷却性能的影响机理。结果表明:冲击距对绝热壁面气膜冷却效率展向分布规律影响不大,而方位角增加能够明显提高绝热壁面气膜冷却效率及展向气膜覆盖面积,方位角0°模型展向气膜冷却效率最大值为0.42,方位角25°模型的最大值为0.48,相比前者增加14.3%;绝热壁面同一流向位置的展向平均气膜冷却效率随冲击距的增加而增大,随方位角的增加而增大,Hi=2.34D时的展向平均气膜冷却效率最佳,α=20°时的展向平均气膜冷却效率曲线最佳。方位角的增加能够明显破坏流场中存在的肾形涡结构。     

气膜内冷通道高度对气膜孔流量系数的影响

以一种基于旋流增益的强化换热技术为研究对象,对狭小受限的气膜孔内冷通道中气膜孔的流量系数开展了试验研究.试验中通过改变气膜孔雷诺数Re(4800～26000)、吹风比M(0.36～2.74)、无量纲冷却通道高度h/d(0.33～2.0)等参数,研究了狭小空间的几何结构、流动参数等对单排气膜孔平均流量系数Cd的影响,并得...     

气膜孔形状对流量系数影响的实验研究

实验研究了气膜孔几何形状、二次流雷诺数及吹风比对流量系数的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔；实验的参数范围为二次流雷诺数Ｒｅ＝１００００～２５０００，二次流吹风比Ｍａ＝０．３～２．０，在上述范围选取了２６个工况分别对三种孔形进行了实验。得出了吹风比是影响各种孔形流量系数的重要参数及圆锥形孔流量系数最大的结论。