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01
本文導(dǎo)讀
超快激光技術(shù)是一種在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度光脈沖的先進(jìn)技術(shù)，其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用正日益引起人們的關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)以其在測量、制造和通信等領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)而著稱，而在航空工程中的廣泛應(yīng)用則為飛行器的性能提升和安全性能提供了新的可能性。
超快激光一般是指脈沖寬度小于10-12s的激光，主要包括飛秒激光（1fs=10-15s）與皮秒激光（1ps=10-12s），由于超快激光脈沖作用時(shí)間極短，能瞬間產(chǎn)生極高的峰值功率，因此，與常見的通過光熱效應(yīng)作用于材料的激光加工方式不同，其加工機(jī)理是直接電子態(tài)吸收，就是把能量傳至材料的晶格，破壞其結(jié)合鍵，最后以等離子體的形式向周圍噴發(fā)出去。并且，相較普通連續(xù)激光的熱加工方式不同，超快激光加工更符合“冷加工”方式，從激光與材料作用的機(jī)理上講，飛秒激光加工可實(shí)現(xiàn)高精度、熱影響區(qū)域小、無熱熔、無重鑄層、無微裂紋的材料去除，是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉斤氣膜孔成形表面完整性的最佳手段之一。
Laser & Electron Beam Processing
02
具體應(yīng)用
(1)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的氣膜孔加工
渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其設(shè)計(jì)制造水平和工作性能影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。一般采用在高溫合金表面噴涂熱障層的方式使渦輪葉片具備高韌性、高塑性、耐蝕性以及耐高溫的性能，除此以外，在表面進(jìn)行設(shè)計(jì)氣膜孔結(jié)構(gòu)，利用部件內(nèi)部釋放的冷空氣，通過微小孔內(nèi)的空氣對流，使得部件表面形成冷氣膜，從而起到隔離高溫燃?xì)饬鳌⒈Ｗo(hù)部件的作用。但目前的電火花加工以及長脈沖激光等加工方式存在熱障層不導(dǎo)電、涂層脫落、出現(xiàn)裂紋以及涂層崩邊等缺陷，無法制備成型較好的小孔。
隨著超快激光加工技術(shù)的開發(fā)，目前已經(jīng)利用飛秒激光在渦輪葉片上制備出無涂層脫落、無裂紋且尺寸成型符合技術(shù)要求的氣孔，這為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣孔膜制備提供了全新技術(shù)。
帶熱障涂層渦輪葉片上分布的大量氣膜冷卻孔的加工可以實(shí)現(xiàn)高推重比、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，因此對帶熱障涂層葉片氣膜孔的加工提出了更高的要求。飛秒激光微孔加工技術(shù)以其高精度、高質(zhì)量、冷加工等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高品質(zhì)微孔加工，隨著飛秒激光制孔技術(shù)在各個(gè)方面的不斷完善和提升，目前可以實(shí)現(xiàn)無重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)的高精度帶熱障涂層葉片氣膜孔的加工，且可以確保熱障涂層加工后無發(fā)黑和脫落，因此飛秒激光微孔加工技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)帶熱障涂層葉片氣膜孔加工的重要方式。
圖1.長脈沖激光與飛秒激光制孔示意圖
圖2.帶熱障涂層渦輪葉片氣膜孔制孔實(shí)物示意圖
(2)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰筒氣膜孔加工
火焰筒是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要組成部件和最重要的受熱部件之一，為保障火焰筒在極端高溫環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)工作，必須對其進(jìn)行冷卻降溫，目前常見的同樣是采用涂層與氣孔結(jié)合的方式。采用長脈沖激光加工會(huì)導(dǎo)致涂層發(fā)生燒蝕、飛濺和崩邊等缺陷，這將大大影響火焰筒的使用壽命。目前，使用皮秒激光加工能夠制備表面無大面積脫落、分層且尺寸符合技術(shù)要求的氣膜孔，如圖2和圖3。
圖3.(a)帶熱障涂層平板試件及異型孔放大圖；(b)熱障涂層與金屬層間結(jié)合良好放大圖；
(c)帶熱障涂層火焰筒氣膜孔一次性制孔實(shí)物
(3)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的異形槽孔加工
密封性對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要影響，近年來隨著航空工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)性能也日益提升，面臨的工況條件更加復(fù)雜化，由于發(fā)動(dòng)機(jī)密封失效而產(chǎn)生的故障日益增多，這些問題急需解決，因此對發(fā)動(dòng)機(jī)密封性技術(shù)提出新的要求。指尖密封是一種可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承腔密封和氣流流路密封的新型裝置，指尖密封件的加工，指尖密封件的加工要求高。目前的機(jī)械加工、電火花加工以及長脈沖激光加工無法解決產(chǎn)生的加工翹曲、變形等問題，但飛秒激光由于其極高的能量密度以及極短的加工時(shí)間，確保了加工過程的高效性和精度的準(zhǔn)確性，在指尖密封件上沒有出現(xiàn)重熔層、裂紋以及毛刺等缺陷，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高精密件的異性槽孔加工提供了新手段。
圖4.飛秒激光微細(xì)切割指尖密封件實(shí)物
Laser & Electron Beam Processing
03
結(jié)論與展望
超快激光加工技術(shù)作為先進(jìn)的材料加工制備技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用需求。但在超快激光加工技術(shù)在工程化應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)材料特性選擇不同的激光工藝參數(shù)，減少工藝流程，提升加工效率，確保材料成型質(zhì)量及尺寸的精確度。隨著超快激光器技術(shù)的發(fā)展及工藝優(yōu)化的完善，加工效率低、可加工厚度受限等問題將得到有效解決，而超快激光加工與長脈沖激光加工技術(shù)結(jié)合的雙脈沖激光加工技術(shù)，將是未來提質(zhì)增效的發(fā)展方向。
高能束加工技術(shù) 高能束加工技術(shù)及應(yīng)用
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