飞秒激光微加工技术在航空发动机高压单晶涡轮叶片的应用

飞秒激光加工工艺是一种国际领先的新型超精细"冷加工"工艺,可实现无材料选择性的微米级刻蚀、切割、制孔等应用,其加工件无热应力、无再铸层、无微裂纹。国产某型发动机高压涡轮工作叶片的工作环境要求极为苛刻,这已成为其发动机性能和使用寿命提升的短板。从高压涡轮单晶叶片制孔要求出发,阐述了飞秒激光"冷加工"技术、基于曲面特征点迭代逼近算法的叶片自适应定位技术和实时穿透感知技术等三项关键技术,依托Micro Drill100五轴飞秒激光微加工装备实现了单晶叶片的高质量批量加工。经金相检查、工业CT等多项检测验证,满足设计要求。     

磁力研磨工艺提高叶片表面质量的试验研究

目的 提高航空发动机涡轮叶片的服役年限。方法 应用磁力研磨工艺提高涡轮叶片表面质量,包括降低叶片表面粗糙度、去除飞秒激光制孔过程中产生的棱边毛刺以及降低叶片表面残余应力,建立神经网络模型确定最佳工艺参数,在最佳工艺参数下对叶片进行研磨加工。使用JB-8E触针式表面粗糙度测量仪、超景深显微镜和X''Pert Powder残余应力测试分析系统,分别对叶片表面粗糙度、孔口形貌以及叶片表面残余应力进行分析。结果 叶片在最佳工艺参数下完成研磨加工,叶片表面粗糙度从3.08 μm下降到0.19 μm,叶片气膜孔棱边毛刺基本去除,且存在倒圆迹象,研磨后叶片晶格更加致密,受力状态从残余拉应力(324.7 MPa)转变为残余压应力(132.8 MPa)。结论 应用磁力研磨工艺可以有效降低叶片表面粗糙度,去除叶片气膜孔的棱边毛刺,对气膜孔的棱边进行倒圆加工,提高飞秒激光制气膜孔的表面质量,同时还可以将叶片的残余拉应力转化为残余压应力,使得叶片晶格排布更加紧密,在提高叶片强度和耐磨性的同时不会引入新的缺陷,增加叶片的服役寿命。     

涡轮叶片气膜孔制造及检测技术发展与展望

涡轮叶片作为航空发动机最核心的热端部件,在叶身加工气膜冷却孔是提高叶片承温能力的必然趋势。目前主流制孔工艺方法包括电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）与激光加工。其中,电火花制孔工艺最成熟,成本效率优势最为明显,广泛应用于多种型号叶片;电化学制孔可以满足“无重熔层、无微裂纹、无热影响区”的孔壁质量验收要求,但对异型孔加工能力不足限制其应用前景;长脉冲激光主要应用于静子件及燃机叶片的制孔,近些年随着超快激光技术的迅猛发展,孔壁加工精度及质量得到显著提升,使其在叶片转子件的制孔中也获得应用。此外,采用磨粒流、磁力研磨等气膜孔后处理工艺可消除孔口相贯线锐边,避免应力集中效应导致锐边起裂。目前,气膜孔检测技术的工程化应用滞后于加工技术,但对于叶片制孔质量控制与验收标准制定具有重要意义,亟需建立相关标准将先进测试表征方法应用于工程生产中,并长期助力智能制造技术发展。     

不同孔间距下镍基单晶叶片气膜孔弹塑性行为研究

气膜冷却作为一重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中,但是气膜孔的引入破坏了叶片的结构完整性,成为裂纹形核的重要区域。将镍基单晶叶片前缘气膜孔简化为平板模型,基于晶体塑性理论分析了多孔干涉下气膜孔的弹塑性力学行为,分析了孔边分切应力的分布规律;并比较了不同横向、纵向间距对气膜孔弹塑性行为的影响。结果表明多排气膜孔间存在着明显的应力干涉,高应力区出现在相邻两列气膜孔孔心连线区域,低应力区出现在同列气膜孔之间,呈现菱形分布。孔边八面体、十二面体、六面体滑移系均开动,最大分切应力出现在夹角0o/20o/30o的位置上;横向孔间距增加,孔边应力降低;纵向孔间距增加,孔边应力增加。六面体滑移系分切应力对载荷、孔间距变化最为敏感。     

单晶冷却叶片气膜孔附近的蠕变持久寿命分析

从单晶冷却叶片中取出一个包含气膜孔的单胞模型,在流体和传热分析的基础上,给出了含气膜孔模型的气动载荷和温度分布.建立了一个晶体有限元模型,根据不同取向的蠕变参数,对单胞模型进行蠕变及持久寿命分析.结果表明,气膜孔附近存在一个明显的温度梯度.温度梯度使模型的位移和等效应力的分布产生梯度.温度梯度对气膜孔周围蠕变持久寿命的影响比较大,且对[111]取向的蠕变持久寿命的影响要大于[001]方向.     

基于磨粒流处理高涡工作叶片振动疲劳断裂损伤行为研究

高涡工作叶片在电火花和大功率飞秒激光制孔状态下孔边存在重熔层和棱状痕迹等缺陷,磨粒流可有效去除重熔层和改善孔边导圆。对通过磨粒流处理前后的模拟件和叶片的振动疲劳性能和断裂损伤行为进行对比研究,结果表明：叶片高温振动疲劳失效位于叶根一弯应力较大区,磨粒流处理前后并未改变结构应力。磨粒流处理后,叶片裂纹起源发生改变,由原来的气膜孔内壁入口侧角源和孔壁中部制孔缺陷小线源,转变为仅从气膜孔内壁入口侧角源,且孔边存在导圆,改善局部应力,提升叶片高周疲劳可靠性;磨粒流处理前后裂纹扩展方式相似,均为裂纹萌生后沿叶片厚度和叶宽方向斜向45°扩展,与单晶材料或板型试样振动疲劳扩展方式相同,之后沿着前缘、尾缘、加强筋多向扩展,扩展前期呈类解理特征,扩展中后期可见较宽的疲劳条带。     

镍基单晶气膜孔模拟试样的低周疲劳断裂机理

采用镍基单晶合金DD6带不同数量激光加工气膜孔的薄壁平板模拟试样,对其在900℃下的低周疲劳性能进行了研究,并对试验数据和断口的SEM形貌进行了分析。结果表明:在相同的试验条件下,气膜孔的数量对低周疲劳的寿命影响很大,单孔试样的寿命约为密排多孔试样的10倍;气膜孔周围存在大量微裂纹,带气膜孔试样的破坏属于典型的多源断裂;对于单孔试样及密排多孔试样的中间孔,裂纹沿{001}面扩展;密排多孔试样的上下2排气膜孔周围的裂纹沿多个滑移面扩展。     

电火花打孔对单晶高温合金损伤的多角度表征方法及损伤机理

本文旨在研究多种工艺参数下电火花打孔对新一代单晶高温合金的损伤行为,通过进行加工电流、脉冲宽度与脉冲间隔3种参数变化的25组正交试验,采用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、电子背散射仪（EBSD）等表征手段对打孔形成的不同损伤的影响规律进行研究。结果表明:加工电流对孔壁粗糙度和重熔层厚度影响最明显,脉冲宽度其次,脉冲间隔影响最弱。基于试验结果形成从圆度、锥度、孔内壁粗糙度、孔内壁形貌、重熔层厚度分布、重熔层组织结构、重熔层成分等多角度表征气膜孔损伤的方法。利用多处测量正交计算和极差的方法,以及面积方法评价不同打孔工艺重熔层厚度,剖析重熔层的形成过程,分析出电火花打孔对先进单晶高温合金的损伤机理。     

单晶材料皮秒激光旋切制孔热过程影响研究

根据超短脉冲激光同材料作用的原理,材料通过光化学机制被去除,加工区域的瞬时温度将超过材料的气化温度值。通过热成像仪对皮秒激光旋切制孔过程中的加工区域进行实时观测,研究了皮秒激光打孔过程中的热过程,比较了同轴气体的存在对加工区域温度场的影响,指出在皮秒激光旋切制孔工艺中,并未观测到单晶材料加工区域的温度升高到气化、液化温度以上的情况,加工区域的温度仍保持在较低水平。因此从宏观上看,皮秒激光制孔工艺属于"冷加工"范畴。提出的通过热成像仪对制孔过程在线控制的方法,可为单晶材料超快激光打孔工艺参数的优化及过程控制提供参考。     

变截面异型孔激光精密加工技术研究

某型号导弹用涡扇发动机火焰筒头罩材料为高温合金。为了保证高温部件正常工作,在头罩上需要加工大量气膜孔冷却,冷却孔分布密集,孔径精度要求高,孔的轴线多为空间方向。通过开展激光加工参数控制研究,激光焦点位置定位研究,多轴激光加工编程技术研究,解决了空间密集气膜冷却孔的加工难题。     

气膜冷却孔电火花加工参数优化及重熔层厚度测量实验

气膜冷却孔加工表面粗糙度、重熔层厚度直接影响航空发动机服役寿命。兼顾叶片气膜冷却孔加工效率和重熔层厚度,研制了加工参数在线可调的窄脉宽高峰值电流脉冲电源系统,进行了气膜冷却孔电火花加工参数优化实验,寻找重熔层厚度和加工效率的显著影响因素。在此基础上,采用灰关联度分析法进行多目标优化,利用优化后的加工参数,得到了较理想的实验结果。     

航空发动机带热障涂层火焰筒异形孔制造又添全新加工手段

正前不久,中国科学院西安光学精密机械研究所召开了"商用航空发动机带热障涂层火焰筒超短脉冲激光精密制孔设备及全套加工工艺"评审会,来自中国航发商发、中航动力等4家单位共17名专家与代表参加了此次会议。经与会专家质询、讨论以及现场考察等环节,评审专家组认为基于机械臂的柔性火焰筒超短脉冲激光精密制孔设备及全套加工工艺实现了带热障涂层火焰筒异形孔的高品质加工,可用于商用发动机带涂层火焰筒异形气膜孔的加工。     

镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳断裂特征研究

气膜孔结构作为一种重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中。气膜孔的存在会引入制造缺陷、应力集中等不利因素,成为疲劳失效的主要诱因之一。本研究开展不同温度下镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳试验,分析熔模铸造直接成型的气膜孔疲劳断裂特征。结果表明:不同温度下疲劳寿命取决于应力幅值;随温度降低,疲劳断裂路径由Mode-I型转换为晶体学平面断裂,断口形貌呈现出从类解理至韧性断裂特征。气膜孔周围微结构分析表明,在1000 ℃及循环应力作用下,氧化膜发生破裂形成氧化裂纹;在700 ℃条件下,疲劳裂纹形核主要由滑移累积导致;在850 ℃条件下,疲劳损伤由氧化损伤和滑移累积共同作用。晶体塑性有限元分析揭示铸造气膜孔疲劳断裂特征主要受气膜孔附近应力分布的影响。     

电液束加工对DD6单晶合金气膜孔损伤行为研究

国内对于先进型号发动机涡轮转子单晶叶片已主要采用电液束加工。电液束加工主要是电化学阳极溶解的过程,对单晶高温合金会造成孔边材料的腐蚀损伤,进而在服役条件下影响单晶叶片的性能。采用微观观察、金相分析等研究电液束加工对单晶高温合金气膜孔的损伤行为,通过高温原位疲劳试验分析打孔损伤对疲劳裂纹萌生机制的影响。结果表明：在入口侧孔边及孔壁的腐蚀区域形貌均为DD6单晶高温合金电解腐蚀组织的特征,部分γ相被腐蚀掉,γ′相突出。入口侧孔边的电解腐蚀层厚度在15~30μm范围内,中间孔壁的电解腐蚀层厚度在6~9μm范围内;带单孔的DD6单晶高温合金试样疲劳裂纹萌生有两种情况：一是从孔边的疏松缺陷处萌生裂纹;二是从孔边的电解腐蚀损伤层附近起源。     

人造单晶金刚石激光微孔加工技术研究

人造单晶金刚石传统的激光打孔方法采用"轮廓法".该方法的缺点是越靠近孔的中心剥去的材料越多,精确的孔型难以得到.本文在理论和实践的基础上,提出了一种新的激光数控打孔自适应模型.在模具的压缩区,通过控制工件的转速实现材料的均匀去除,并且使激光脉冲能量随着孔径的减小而递减,以提高孔型精度.结果表明,该模型可以有效提高微孔的加工精度,最小加工孔径达到3.5 μm.理论和实践证明,本文提出的激光打孔数控模型是人造单晶金刚石激光打孔的有效方法.     

气膜孔扩散结构分块成形加工中伺服轨迹修正算法优化

气膜冷却孔用于保证航空发动机涡轮叶片在高温、高压环境下工作。带有复合角出口扩散结构的气膜冷却孔具有更好的冷却性能。采用棒状方形截面电极的电火花分块成形加工扩散结构是一种气膜孔加工新方法,具有工具电极成本低、工作液易于更新和可连续加工的工艺优点。针对电火花分块成形加工中保持微小放电间隙时的工具电极三维空间伺服进给轨迹误差问题,提出了加工轨迹误差修正算法,并通过实验重点优化了算法参数。典型气膜冷却孔加工的结果验证了轨迹修正算法可提高精度的有效性。     

飞秒激光烧蚀金箔机理及模拟分析（英文）

研究了在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀金箔的过程。讨论在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用,结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从模拟结果中得出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,进一步结合实验结果,分析飞秒激光能量密度是金箔的加工效率以及加工质量的主要因素,从而表明飞秒激光能量密度对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

飞秒激光烧蚀金箔机理及模拟分析

研究了在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀金箔的过程。讨论在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用,结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从模拟结果中得出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,进一步结合实验结果,分析飞秒激光能量密度是金箔的加工效率以及加工质量的主要因素,从而表明飞秒激光能量密度对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

飞秒激光烧蚀铝片的热弛豫效应模拟与实验研究

研究了在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀铝片的过程。通过分析基于双温模型有限差分法所模拟出的数据图,并结合飞秒激光烧蚀实验的结果,从而研究不同激光能量密度与铝片烧蚀之间的联系。研究表明：飞秒激光能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验所测的结果进一步表明了提升飞秒激光能量密度对加工铝材料的加工效率以及加工质量的影响。通过研究和实验结果能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间铝材料的热弛豫过程将加长,烧蚀强度也将有所增加,同时铝材料加工后得出形貌质量也将有所提高,这个结论对于飞秒激光烧蚀金属材料的研究具有一定的意义。     

飞秒激光烧蚀铝片的热弛豫效应模拟与实验研究（英文）

研究了在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀铝片的过程。通过分析基于双温模型有限差分法所模拟出的数据图,并结合飞秒激光烧蚀实验的结果,从而研究不同激光能量密度与铝片烧蚀之间的联系。研究表明:飞秒激光能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验所测的结果进一步表明了提升飞秒激光能量密度对加工铝材料的加工效率以及加工质量的影响。通过研究和实验结果能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间铝材料的热弛豫过程将加长,烧蚀强度也将有所增加,同时铝材料加工后得出形貌质量也将有所提高,这个结论对于飞秒激光烧蚀金属材料的研究具有一定的意义。