涡轮叶片气膜孔的纳秒-飞秒双波段激光加工

针对航空发动机中涡轮叶片气膜孔的复杂加工要求,提出并建立了一套基于纳秒–飞秒双波段激光加工的方法与系统.使用三维扫描仪对涡轮叶片气膜孔进行空间坐标获取,对气膜孔的实际加工坐标进行了误差校正,实现了气膜孔的高精度定位.综合利用532nm纳秒激光高效率与400nm飞秒激光高精度的特点,在不锈钢涡轮叶片上实现了81个气膜孔的...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

涡轮叶片冷却气膜孔及涂层缺陷检测技术研究进展

为满足现代燃气涡轮发动机长寿命、高可靠性的需求,高性能涡轮叶片呈现出气膜冷却结构和热障涂层热防护一体化设计与制造的发展趋势。然而气膜孔制备过程产生的显微组织缺陷和涂层涂覆过程导致的尺寸偏差会影响气膜结构及其冷却效率,先涂层后飞秒激光制孔也会引起涂层局部烧结甚至开裂。叶片服役过程中,受到温度梯度和边缘效应的影响,孔边涂层更易产生应力集中进而导致裂纹的萌生扩展,成为失效的薄弱环节。目前,包括塞规法、流量法和微小探针法等传统测量手段均无法有效评估气膜孔尺寸参数、形状特征和加工缺陷。在各类用于叶片及其涂层质量评价的无损检测方法中,主动红外热成像法具有快捷、多功能和有效质量控制等优势。基于上述研究背景,本文综述了快速、高精度的气膜孔参数测量和孔边合金及涂层缺陷的评估方法,论述了燃气涡轮发动机涡轮叶片常见气冷结构及其制备工艺的发展,详细列举了主动式红外热成像技术用于气膜孔质量评价的研究进展,同时总结了现有技术的不足和发展方向,对提升涡轮叶片冷却结构和气膜孔加工质量控制水平具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

Effect of tube-electrode inner diameter on electrochemical discharge machining of nickel-based superalloy

Nickel-based superalloys are widely employed in modern aircraft engines because of their excellent material characteristics, particularly in the fabrication of film cooling holes. How-ever, the high machining requirement of a large number of film cooling holes can be extremely chal-lenging. The hybrid machining technique of tube electrode high-speed electrochemical discharge drilling (TEHECDD) has been considered as a promising method for the production of film cooling holes. Compared with any single machining process, this hybrid technique requires the removal of more complex machining by-products, including debris produced in the electrical discharge machin-ing process and hydroxide and bubbles generated in the electrochemical machining process. These by-products significantly affect the machining efficiency and surface quality of the machined prod-ucts. In this study, tube electrodes in different inner diameters are designed and fabricated, and the effects of inner diameter on the machining efficiency and surface quality of TEHECDD are inves-tigated. The results show that larger inner diameters could effectively improve the flushing condi-tion and facilitate the removal of machining by-products. Therefore, higher material removal efficiency, surface quality, and electrode wear rate could be achieved by increasing the inner diam-eter of the tube electrode.     

叶片内部气膜孔附近壁面局部换热特性

对叶片弦中区内部“冲击-气膜出流”冷却方式中气膜孔附近壁面的换热特性进行了实验研究。取气膜孔前后三倍气膜孔径范围为研究对象，重点研究了冲击间距及冲击孔与气膜孔沿流向相对位置对其换热的影响规律。研究发现：对气膜孔前后局部范围，存在最佳的冲击间距与气膜孔径比；同样，对气膜孔前局部范围，也存在最佳的冲击、气膜孔沿流向相对距离与气膜孔径比；随着冲击孔与气膜孔相对距离的增大，冲击对气膜孔局部换热影响变小，气膜“溢流效应”突出，越靠近孔的地方换热越强。     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料制孔工艺

分别采用机械钻削制孔与激光制孔两种工艺对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料进行制孔,对其质量以及工艺特点进行评价分析。结果表明,机械钻削制孔孔径精度较好但存在刀具磨损严重、出现毛刺崩边现象等问题;激光制孔效率较高,但孔存在锥度且因热影响区的存在导致孔的内壁表面出现分层、裂纹等缺陷。     

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴线角度及位置度的准确信息。结果表明：通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。     

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

带冷气掺混的涡轮级流场数值模拟

为了实现对带冷气掺混的涡轮级流场的数值模拟 ,利用 Jameson有限体积方法在 H型结构化网格上求解 Reynolds平均 Navier-Stokes方程组。根据混合平面假设实现涡轮级 (导向叶片 /转子 )动静流场的联算。采用一维等熵流动模型求解冷却气体在冷却孔出口的流动参数 ,并通过在边界注入相应的通量引入冷却气体对主流流场的影响。通过对典型算例计算 ,获得与实验吻合的结果。验证了本文方法的可行性和计算精度。基于此 ,本文对亚音速和跨音速两组涡轮级的带冷气掺混的三维流场进行了粘流流场和换热分析 ,获得了合理的计算结果。     

喷射液束电解-激光复合加工工艺试验研究

喷射液束电解 激光复合加工是一项新探索的加工技术,其特点是既发挥激光加工的高效率,又借助喷射电液束的冷却、冲刷、电解作用而实现在线去除再铸层。基于该加工原理的分析,在对激光电解液中衰减特性研究的基础上,研制了试验系统并对不锈钢片进行了打孔工艺试验。试验结果表明,应用液压1.5 MPa、浓度18%的NaNO₃电解液的喷射液束电解-激光复合加工可实现再铸层减少90%以上。通过对打孔形貌的对比以及加工工艺规律的初步分析,揭示了喷射液束电解-激光复合加工以激光加工为主,电解加工辅助去除再铸层的加工原理,证实了该复合加工工艺的可行性,可望在航空航天领域得到广泛工程应用。     

高速条件下吸力面复合角孔气膜冷却特性

为探究高速条件下涡轮叶片吸力面上复合角孔的气膜冷却特性,在高速风洞中实验测量了吸力面复合角孔的气膜冷却效率与传热系数比,并通过净热通量减少(NHFR)衡量了复合角孔对吸力面的气膜冷却净收益。分析了雷诺数、吹风比以及湍流度对气膜冷却效率、传热系数比及净热通量减少的影响规律,结果表明：低雷诺数下气膜冷却效率受雷诺数影响较大,但当雷诺数增大至6.4×10⁵以上时,气膜冷却效率几乎不再变化;随湍流度的增大,气膜冷却效率整体降低,低吹风比下气膜冷效对雷诺数、湍流度较为敏感。传热系数比随气膜吹风比增加而增大,但在湍流度较大时,气膜冷却对传热系数的影响降低。湍流度的增大使NHFR有所升高。研究表明对高的湍流度工况,吹风比为0.8时复合角孔呈现最佳的气膜冷却性能。