發(fā)動機展臺上的高壓渦輪盤
前不久，中航發(fā)動機展臺上有這么一件展品，這個展品是一個高壓渦輪盤，高壓渦輪盤的最外圈是一排渦輪葉片，在渦輪葉片上我們能看到很多排細(xì)小的氣孔。渦輪葉片的工作環(huán)境很惡劣，要承受很大的離心力，為什么還要在渦輪葉片上打孔呢？
這個還要從渦輪葉片的工作環(huán)境說起。以美國F22戰(zhàn)斗機配套的F119發(fā)動機為例，其渦輪前進氣溫度為1973K，換算為攝氏度就是1700℃。而F119發(fā)動機渦輪葉片用的是第二代單晶高溫合金CMSX-4，其工作溫度1040℃，熔點是1343℃。換句話說，發(fā)動機燃燒室產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟缺葐尉Ц邷睾辖鸬娜埸c還要高出近四百度，那么燃?xì)獯翟跍u輪葉片上，它不會被融化嗎？渦輪葉片當(dāng)然不能被融化，那么就需要采用冷卻措施來降溫，以保證渦輪葉片能夠正常工作。常用的冷卻措施包括在渦輪葉片上噴涂熱障涂層，或者采用氣膜冷卻技術(shù)。熱障涂層通常能夠提供兩三百度的冷卻溫度，剩下的近四百度冷卻溫度就要靠氣膜冷卻技術(shù)了。
采用氣膜冷卻技術(shù)的渦輪葉片
我們先來說說氣膜冷卻，所謂氣膜冷卻就是在葉片表面打很多氣孔，在葉片內(nèi)部注入高壓冷卻空氣，經(jīng)氣孔排出，在葉片表面形成一層溫度較低的空氣膜將高溫的燃?xì)夂蜏u輪葉片隔開。從上個世紀(jì)八十年代開始，發(fā)達國家就掌握了氣膜冷卻技術(shù)，并且憑借這一先進技術(shù)確立起了航空發(fā)動機領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。而我國航空發(fā)動機技術(shù)長期以來的技術(shù)落后跟沒有掌握先進的氣膜冷卻技術(shù)也有很大關(guān)系。
氣膜冷卻的渦輪葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
氣膜冷卻一般通過在渦輪葉片上打大量不同直徑的氣膜孔來實現(xiàn)，孔徑約為100~700微米，且空間分布復(fù)雜，多為斜孔，角度為15°到90°不等。早期氣膜孔為簡單的圓形孔，為了提高冷卻效率，后發(fā)展為扇形或矩形等異形孔，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到復(fù)雜的異形孔如貓耳形孔。
這三種氣膜孔從上到下分別是圓形孔、扇形孔和貓耳形孔
因為氣膜孔直徑很小而且形狀復(fù)雜，無法靠鑄造直接成型，因此都是在鑄造完畢后另行加工的，這就給加工帶來極大的難度。目前主流的方法是電火花機床加工，但工具電極制造極為困難，很難加工小于200微米的孔，但是復(fù)雜異形孔往往需要50微米的加工精度而且要有三維精密加工能力，這對電火花加工來說很難實現(xiàn)。而且，渦輪葉片表面通常要覆蓋一層熱障涂層、一般是陶瓷材料，因為不導(dǎo)電，采用傳統(tǒng)電火花機床無法加工。只能先打孔再噴涂熱障涂層，然后再擴孔的方法。但是需要頻繁的檢測及二次擴孔。二次擴孔又面臨精確對準(zhǔn)難題，而且會對孔周邊的涂層產(chǎn)生損傷，因此氣膜孔加工的質(zhì)量難以保證。隨著未來發(fā)動機渦輪葉片材料逐漸走向非金屬化，電火花加工更不靠譜。
隨后又發(fā)展了超聲-電火花加工，先用超聲穿透陶瓷涂層，再用電火花加工金屬部分?；蛘呦扔脧娂す獯虼┨沾赏繉?，再用弱激光加工金屬部分。這基本上都是復(fù)合加工，沿用的都是先涂層再打孔的思路，但是這樣工藝復(fù)雜，很不理想。對單晶葉片來說還有個難題要克服，那就是熱損傷，因此技術(shù)難度更大。
上個世紀(jì)六十年代又發(fā)展了電化學(xué)射流也就是電液束流加工技術(shù)來加工葉片，這一技術(shù)可以獲得無再鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)表面，但加工效率很低。而且存在雜散腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致開孔的輪廓形狀難以控制，因此也不是一種理想的氣膜孔加工手段。
要實現(xiàn)先進氣膜孔冷卻技術(shù)，需要拋棄先開孔后涂層的加工工藝。要在一次裝卡過程完成全部加工，也就是要實現(xiàn)單步單機打孔。這樣就只能考慮用激光來加工，早期激光加工多采用毫秒級激光，但是這樣的長脈沖激光熱影響區(qū)嚴(yán)重，不適合單晶葉片。后來飛秒激光的出現(xiàn)才解決了問題。飛秒激光是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，屬于飛秒量級，1飛秒就是1/1000萬億秒。它的瞬時功率非常高，可達到百萬億瓦。能量來不及釋放該脈沖已經(jīng)結(jié)束，避免了能量的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化熱量的存在和熱擴散，實現(xiàn)了真正意義上的激光“冷”加工。這樣加工時切面整齊、無熱擴散、無微裂紋及冶金缺陷，加工過程中不會對所涉及的空間范圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的超精細(xì)。
右邊這個是貓耳形氣膜孔的實際外形照片
2017年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級飛秒光纖激光器，研制出系列化超快激光極端制造裝備。在國際上率先突破了小空腔0.5毫米葉片對壁無損傷微孔加工的世界技術(shù)難題，在國內(nèi)率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結(jié)構(gòu)掃描成形技術(shù)，實現(xiàn)了超高精度50±2微米及異型氣膜孔的高品質(zhì)加工，為實現(xiàn)先進氣膜冷卻技術(shù)提供了重要的技術(shù)支撐，達到了國際領(lǐng)先水平。完成了國產(chǎn)發(fā)動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證。
超高精度的氣膜孔
而且，這一技術(shù)也為我國發(fā)展渦輪葉片發(fā)散冷卻技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)。發(fā)散冷卻又稱發(fā)汗冷卻，可以實現(xiàn)比氣膜冷卻更高的冷卻溫度。但實現(xiàn)技術(shù)難度也更大，因為發(fā)散冷卻需要在葉片表面開更多更小的氣孔，完全覆蓋葉片表面。而飛秒激光打孔就有這樣的潛力。雖然無法確定展臺上的渦輪葉片是否使用了飛秒激光打孔技術(shù)，但我們確確實實掌握了這一先進技術(shù)。關(guān)于氣膜冷卻技術(shù)我們先說到這里，下次來我們來談?wù)勎覈跓嵴贤繉蛹夹g(shù)上的創(chuàng)新。
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