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                航空發動機的飛秒激光打孔與氣膜冷卻應用

                來源:今日頭條    關鍵詞:航空發動機, 飛秒激光, 打孔,    發布時間:2019-06-13

                設置字體:

                發動機展臺上的高壓渦輪盤

                前不久,中航〒發動機展臺上有這麽一件展品,這個展品是一々個高壓渦輪盤,高壓渦輪盤的最外圈是一排渦輪葉片,在渦輪葉片上我們 深深吸了口氣能看到很多排細小的氣孔。渦〗輪葉片的工作環境很惡劣,要承受很大的離心力,為什』麽還要在渦輪葉片上打孔呢?


                這個還要從渦輪葉片的工作環境說起。以美國F22戰鬥機配套的F119發動機為例,其★渦輪前進氣溫度為1973K,換算為攝☆氏度就是1700℃。而F119發動機渦輪葉片用的是第二這五色光環刺了過來代單晶高溫合金CMSX-4,其工作溫度※1040℃,熔點是1343℃。換句話說,發動機燃燒室產生的燃氣∴溫度比單晶高溫合金的熔點還要高出近四百度,那麽燃氣吹在渦輪葉片上,它不會被融化嗎?渦輪葉片當然不能被金色巨斧融化,那╱麽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塗熱障塗層,或者采用氣膜冷卻技術。熱障塗層通∑ 常能夠提供兩三百度的冷卻溫度,剩下的近四〇百度冷卻溫度就要靠氣膜冷卻技術了。


                采用氣膜冷卻技術的渦輪葉片


                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,在葉片內部註入高壓冷卻空氣,經氣▼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氣和渦輪葉片隔開。從上個世紀八十年代開始,發達國家就掌握了氣膜冷卻技@術,並且憑借這一先進技△術確立起了航空發動機領域的領先地位。而我國航空發動機技術長期以來的技術落後跟沒有掌握先進的氣膜冷卻技術也有很大關系。


                氣膜冷卻的渦輪葉片ξ 的內部結構

                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幾乎是不可能了現,孔徑約為100~700微米,且空間分布復雜,多為斜孔,角度為15°到90°不等。早期氣膜孔為簡單的圓形孔咆哮聲從光柱之中響起,為了提高冷卻效率,後發展為扇形或矩形等異形ω孔,現在已經發展到復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、扇形孔就給他致命一擊和貓耳形孔


                因為氣膜孔直徑很小而且形狀復雜,無法靠鑄造直接成型,因此都是@ 在鑄造完畢後另行加工的,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◣於200微米的孔,但是復雜異形孔往往需要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。而且,渦輪葉片表面通常要覆蓋一層熱障塗層、一般是陶瓷材料,因為不◆導電,采用傳統電火花機床無法加工。只能先打孔再噴塗熱障塗層,然後再擴孔的方法。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難題,而且會對孔周邊的塗層產生損傷,因此氣膜孔加工的質量難以對他不知道多有用保證。隨著未來發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。


                隨後又發展了超聲-電火花加工,先用超聲穿透陶瓷塗層,再用電火花加工金屬∑ 部分。或者先用強激光打穿陶瓷塗層,再用看著銀月天狼蛋弱激光加工金屬部分。這基本上都是復合加工,沿用的都是先塗層再打孔的思路,但是這樣『工藝復雜,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,因此技術難度更大。


                上個世紀六十年代又發展了電化學射流也就臉上掛著一絲淡淡是電液束流加工技術來加工葉片,這一技術可〗以獲得無再鑄層、微裂紋、熱︼影響區表面,但加工效率很低。而且存在雜散腐蝕現象,導致開孔的♀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。


                要實現先進◣氣膜孔冷卻技術,需要ω拋棄先開孔後塗層的加工工藝。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︼熱影響區嚴重,不適合單晶葉氣勢磅礴片。後來飛秒激光的出現才解決了問題。飛秒激光是一種以脈沖ㄨ形式運轉的激光,持續時間非常短,屬於飛秒量級,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結束,避免了〇能量的轉移、轉化熱量的存在↑和熱擴散,實現了真正意義上的激光“冷”加工。這樣加工但它只需要知道時切面整齊、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範圍的周圍材料造成影響,從而做到『了加工的超精細。


                右邊這個是貓耳形氣膜孔的實際外形照片


                2017年,中國科學院西安光學精密機械研↓究所,開發出國內最高單脈沖能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器,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難♀題,在國內率先攻克了高精★度、三維可編程、異型微結構掃描成形技術,實現了超高精度入口在哪50±2微米及異型氣膜孔的高品質加工,為實現先進氣膜冷卻技術提供◎了重要的技術〖支撐,達到了國際領先水平。完成了國產發動到機多型號、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,這一技術也為我國發展渦輪葉片發散冷卻技術打下了良好基礎。發散ㄨ冷卻又稱發汗冷卻,可以實現比氣膜冷☉卻更高的冷卻溫度。但實現ぷ技術難度也更大,因為發♀散冷卻需要在葉片表面開更多更看著和道塵子小的氣孔,完全覆蓋葉片表面。而飛秒激光打孔就有眼中卻是精光一閃這樣的潛力。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,但我們確確實實掌握了這一先進技術。關於氣膜冷卻技術我們先說到這裏,下次來我們來談談我國在熱障塗層技術上的創新。