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。     

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。     

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.      

基于电火花-电解复合加工方法的微小孔制造

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的制造一直是难点所在。提出了微小孔电火花-电解同步复合加工方法,通过电火花加工和电化学溶解同步进行,实现小孔的高效无重铸层制造。针对电火花-电解复合加工方法进行了试验研究,观测了复合加工过程中的试验现象,研究了加工过程中的电压电流波形和加工产物成分,计算了电化学溶解作用占复合加工材料去除量的比例,分析了工作液电导率对电极损耗的影响,比较了复合加工与纯电火花加工后的微小孔加工质量。试验结果表明,电火花-电解复合加工可以在微小孔制造完成的同时,有效去除孔壁上的重铸层。提出的方法可以为实现航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的高效无重铸层制造提供新的解决途径,并可用于其他微小群孔类零部件的加工。     

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。     

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。     

超声磨料对TC4钛合金电火花加工表面质量的影响

为改善TC4钛合金电火花加工表面质量,减少表面微裂纹、重熔层等表面缺陷,提出了基于电极振动的超声磨料电火花复合加工方法。在煤油工作液中混入12g/L的SiC磨料粉,进行了有无超声磨料作用的窄脉冲(脉宽小于1μs)电火花加工的表面粗糙度对比实验研究。实验结果表明:SiC磨料的超声振动作用使零件表面粗糙度Ra由0.5μm降到0.2μm左右;重熔层厚度、表面裂纹的扫描电子显微镜(SEM)照片显示,超声磨料作用使重熔层厚度减薄20～30μm,表面微裂纹得到有效控制;机理分析认为工作液高频振动及磨料对工件的冲击作用,是改善TC4钛合金电火花加工表面质量的主要原因。研究表明磨料的超声振动作用可显著改善TC4钛合金电火花加工的表面质量。     

利用交变旋转磁场去除叶片气膜孔毛刺的试验研究

对航空发动机叶片采用电火花打出气膜冷却孔后产生的毛刺,用传统的加工方法难以去除,利用交变旋转电磁场带动微细磁针旋转与气膜冷却孔发生碰撞可有效去除叶片气膜冷却孔的毛刺。从理论上分析了磁力研磨法的工作原理、磁力研磨过程中磁针的运动方式以及影响磁力研磨加工效率的因素,并对气膜冷却孔进行磁力研磨抛光试验;采用3D超景深显微镜观察叶片气膜冷却孔研磨前后表面微观形貌的变化。试验结果表明:利用磁力研磨法可以有效去除叶片气膜冷却孔的毛刺,使表面形貌得到改善,满足工件的使用要求。     

航空精密偶件电加工重熔层控制方法研究

对电加工重熔层的危害及形成过程进行了简要介绍,进行了不同加工参数下的电加工试验,使用电子扫描显微镜对试验中产生的重熔层厚度值进行测量,总结了粗、中、精三种工艺参数加工后的重熔层厚度值的变化趋势,并提出了航空精密偶件去除重熔层的方法。     

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.     

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.     

气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究

为了认识气膜孔喷气对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响,应用涡轮平面叶栅风洞,实验测量和分析了在叶片表面不同位置气膜孔喷气情况下涡轮叶栅流场与性能,实验中气膜孔气流采用与涡轮叶栅相同的空气介质。实验结果表明,前缘气膜孔喷气使得涡轮叶栅损失随喷气流量增大而单调增大;但是,叶片压力面和吸力面气膜孔喷气对涡轮叶栅损失影响规律是复杂的,由于叶片表面不同位置流动特点的不同,在叶片表面不同位置的气膜孔喷气对涡轮叶栅流动损失和流动结构等的影响也是不相同的。     

高温合金IN718上气膜冷却孔电火花加工试验

针对高温合金IN718上ø0.5mm气膜冷却孔的加工,采用煤油中旋转电极内冲液电火花成型加工方法,利用正交试验设计方法对试验进行设计分析,分析峰值电流、脉宽、占空比和冲液压强4个因素对材料去除率和电极相对损耗的影响,基于正交试验结果建立综合评分公式,选择最优加工参数.研究结果表明,峰值电流对材料去除率的影响最明显, 其次为冲液压强和占空比,脉宽对材料去除率的影响很小;峰值电流对电极相对损耗的影响最明显,其次为冲液压强,占空比和脉宽对电极相对损耗的影响很小;最优的加工参数峰值电流为8A、脉宽为130μs、占空比为0.35、冲液压强为5MPa,对该参数进行加工试验研究,与分析结果一致.      

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。     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

研究了DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样中气膜孔对蠕变寿命的影响。分别对带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试样进行了蠕变测试,带气膜孔试样作为冷却叶片模拟件,不带气膜孔试样与之比较。900％与1000％的蠕变试验结果表明：在相同应力条件下,壁厚为2．0mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1．5mm试样的长,带气膜孔试样的蠕变寿命要比不...     

冰层辅助对电火花-电解复合穿孔的影响

电火花-电解复合穿孔(ECDD)加工方法有望实现难加工材料涡轮叶片气膜冷却孔无重铸层高效加工,为了进一步提升小孔孔壁的加工质量,提出了在工件底部填充冰层的电火花-电解复合穿孔加工新方法。分析了冰层辅助对复合加工过程中两极之间电流电压的波形、复合穿孔的加工效率、小孔的出入口孔径、孔壁重铸层去除等的影响,进行了冰层辅助与无冰层辅助电火花-电解复合穿孔对比试验。试验表明:冰层辅助加工可以在小孔穿透之后形成充分的反向冲液,有效地解决小孔穿透之后的漏液问题。在增加底部停顿时间的基础上,即小孔穿透后管电极到达预设深度继续停留一段时间,延长管电极对孔壁的电解作用时间,可以显著提高重铸层的去除效果,有望实现小孔整个孔壁重铸层的完全去除。     

大深径比微孔加工技术及其发展

大深径比微孔加工在航空和汽车领域有广泛需求,如航空发动机涡轮叶片气膜孔、火焰筒气膜孔、航空喷油嘴微孔以及汽车喷油嘴微孔均需要大深径比微孔加工。目前,大深径比微孔加工方法主要有电火花、电液束、水导激光和飞秒激光4种加工技术。介绍了4种加工技术原理和研究现状,对比分析了各自的特点及其应用,最后对大深径比微孔加工技术的发展趋势进行了展望。     

非定常尾迹输运对动叶气膜冷却流场影响

对不同尾迹宽度下涡轮动叶的气膜冷却流场进行非定常数值研究,研究了尾迹输运对动叶气膜冷却流场的影响机理.计算结果表明:非定常尾迹的总压损失和速度损失而形成低速区,当非定常尾迹输运到冷却孔附近时,尾迹对气膜层的干扰占主导地位,靠近气膜孔的叶片区域冷却效率降低明显.非定常尾迹的影响使得冷却气流被带到压力面叶片下游更广阔的区域,导致气膜冷却沿叶展方向的覆盖范围更广,从而使得压力面气膜冷却效率在尾迹通过时更高一些.当尾迹宽度增大时,对气膜冷却效率的影响程度增大.尾迹对压力面的影响比吸力面更大一些.      

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。     

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。