高压涡轮导向叶片气膜孔皮秒激光加工试验

针对高压涡轮导向叶片气膜孔加工问题,进行了皮秒激光加工DD5高压涡轮导向叶片的试验,采用正交试验法研究了激光功率、离焦量及单层进给量对叶片气膜孔加工的重熔层、锥度和加工效率的影响规律。结果表明：气膜孔的加工效率随着激光功率和单层进给量的增加呈上升趋势,孔由正锥形变为圆孔或微倒锥后再变为正锥形;皮秒激光处于负离焦状态时,气膜孔的重熔层更易控制,且孔更易接近圆孔或倒锥形;当加工参数为激光功率60 W、离焦量-0.2 mm、单层进给量0.03 mm时,加工的气膜孔呈现直圆孔,无重熔层、热影响区和微裂纹。     

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。     

叶片气膜孔的电火花加工工艺研究

叙述了高速电火花小孔加工的工作原理和加工工艺。通过实际工件的加工试验，得出叶片型面上小孔的最佳加工工艺参数，采用此工艺方法加工后的小孔，其表面质量、尺寸精度、形状精度均符合设计要求，为叶片型面上的小孔加工提供了一种可靠、实用的方法。     

涡轮叶片气膜冷却孔电解加工气液两相流场特性分析

以高温镍基合金Inconel718为基材进行气膜冷却孔电解加工基础试验,在电解加工过程中,阴极反应界面析出氢气,导致电解液的电导率不再是一个常数,从而影响冷却孔的加工成型精度。结合前期基础试验,建立冷却孔电解加工流道二维模型,基于COMSOL Multiphysics软件对冷却孔端面间隙内气液两相流场进行仿真,研究加工电压、电解液入口压力及管电极进给速度对氢气析出量的影响,并定性地分析电解加工过程中气泡率与电导率之间的关系。由仿真结果可知:氢气的体积分数随加工电压和电极进给速度的增大而增大,随电解液入口压力的增大而减小,且氢气体积分数越大,电解液的电导率越小。     

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.     

复层气膜孔的电火花加工技术

介绍某高精度航空发动机燃烧室复层气膜孔的电火花加工技术.通过采用RD1-A型多电极数控电火花加工机床,优选EDM参数,有效地提高了气膜孔的加工质量和效率.     

叶片气膜孔数控电火花小孔加工机床机械结构设计

针对传统多轴数控电火花高速小孔机结构布局不合理、加工精度不稳定、占地面积大等问题,设计了专用于叶片气膜孔加工的数控电火花小孔机床。结果表明：通过有限元分析优化设计,机床具有更优良的静态机械性能;通过紧凑型总体布局设计和合理化结构设计,减少机床占地空间;通过配置刀库、导向器库、扶丝器、卡盘等自动化装置,减少人工操作、短缩加工辅助时间,适用于自动化生产线。     

航空发动机涡轮叶片气膜孔微裂纹检测

以加工人工模拟缺陷的涡轮叶片及含微裂纹缺陷的涡轮导向叶片为对象,研究微焦点射线成像方法对气膜孔微裂纹的检出能力。通过光学显微镜对涡轮叶片人工模拟缺陷标定实际尺寸,使用微焦点射线成像方法能有效检出涡轮叶片中7条人工模拟缺陷。对人工模拟缺陷进行尺寸测量,微焦点射线成像检测尺寸测量结果与标定结果一致。另外,设计了涡轮导向叶片微焦点射线成像检测试验,采用微焦点放大成像方法能够检出涡轮导向叶片后缘中长度为392μm、宽度为21μm的微裂纹。结果表明,微焦点成像方法能满足气膜孔微裂纹工程检测需要。     

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。     

单晶空心涡轮叶片精确控形技术的研究进展

针对航空发动机单晶空心涡轮叶片的精确控形技术,结合国内外相关工作的研究状况,从空心涡轮叶片复杂陶瓷型芯精密成形技术、单晶高温合金叶片近净形熔模精密铸造技术及叶片精铸过程尺寸精度控制方法等方面,对单晶空心涡轮叶片精确控形技术领域取得的研究成果进行了总结和分析。重点介绍单晶空心涡轮叶片精确控形技术领域内取得的研究成果,论述了我国单晶空心涡轮叶片精确控形技术的未来研究重点。     

单晶空心涡轮叶片壁厚测量方法比较

通过对空心涡轮叶片超声测厚法和工业CT测厚法工作原理和测厚过程的对比分析,分别采用超声检测和工业CT两种方法对DD6合金单晶空心叶片典型位置的壁厚进行了无损检测,并将检测结果与叶片剖切后卡尺直接测量的结果进行了比较。结果表明:对于DD6合金的单晶叶片,工业CT检测法测得的壁厚数据准确度略高于超声检测法,但差别不明显;工业CT检测法更便于检测结果的追溯,超声检测法检测效率更高。     

单晶高温合金气膜孔氧化损伤的薄壁效应研究

通过静态增重法对不同孔间基体尺寸的DD6单晶高温合金在1050 ℃的恒温氧化行为进行测定,并利用扫描电镜、能谱以及X射线衍射等对氧化产物进行分析。结果表明:含气膜孔的DD6单晶高温合金发生氧化损伤薄壁效应的临界尺寸为0.75 mm。由于电液束加工属于一种电化学腐蚀加工方法,在孔边的电解腐蚀层已渗入基体,并导致靠近基体最内层的Al₂O₃膜不完全连续致密,进而保护性变差,从而在孔边形成一定范围的氧化高速反应区。随着孔间基体尺寸的增大,高速反应区面积逐渐增大到最大值后不再变化,此后生长应力的作用成为主导因素,而生长应力的叠加效应随着孔间基体尺寸的增大逐渐减小,因此峰值点之后又呈下降趋势。     

镍基单晶合金气膜孔结构的制备质量评价

镍基单晶合金（NSCA）气膜孔结构制备质量已成为制约高性能航空发动机装备应用和发展的关键因素,然而,由于制备过程中形成的微结构变化难以定量表达,很难对不同工艺下的制备质量进行定量评价。利用兰姆波对金属材料微损伤敏感的优势,结合分子动力学模拟分析了不同工艺下制备质量的影响机理,确立了NSCA合理的激发角度 （19.5°）、激发频率（2.05 MHz）及基准特征参数（7.58 e^-4/mm）。并通过理论和实验揭示了制备缺陷与二次谐波间的构效关系,为后续工程化应用提供理论依据。     

DD6单晶合金气膜孔薄壁平板高温持久性能

在980℃/300 MPa条件下,对带气膜孔与无气膜孔的DD6单晶合金薄壁平板试样进行高温持久试验研究与有限元对比计算。结果表明：在相同名义应力条件下,带孔试样的高温持久寿命比无孔试样的高温持久寿命低,分别为69、90 h,气膜孔的存在破坏了试样的几何连续性,导致气膜孔周围应力集中为主要因素。通过断口宏、微观观察发现,无试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征;而带孔试样由于气膜孔改变了试样中的应力分布,在气膜孔附近产生了应力集中,当裂纹扩展至试样边缘,试样被瞬间剪断。基于晶体塑性理论建立了蠕变模型,将其编入ABAQUS的UMAT子程序中对带气膜孔和无气膜孔薄壁平板试样分别进行模拟分析,模拟结果显示与试样的断裂位置及形貌吻合,在工程应用条件下该模型是能用于薄壁平板的高温持久断裂寿命的预测。     

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。     

涡轮叶片的小间隙电解加工

在电解加工中,加工间隙是选择加工参数的核心。一般资料中介绍加工间隙范围为0.1～0.8mm,理论上当加工达到平衡状态时,加工间隙与平衡间隙相等。在实际加工中,电解液通常是不更换的,因此对于给定的加工材料,加工间隙越小,加工速度越高,复制的精度也愈高;但过小时,间隙中电解产物难以排除而产生火花放电或引起短路,损坏工件或阴极,所以实现小间隙加工的关键在于能有效的去除加工间隙中的电解产物。对于扭曲度较大的涡轮叶片,由于加工面大,形状复杂,间隙各处的电解液流速不均匀,要实施小间隙加工的难度更大,下面讨论扭曲叶片的小间隙加工问题。     

电解加工涡轮叶片锻模情况介绍

电解加工锻模在国内外早已开始试验,并已卓有成效地用于生产。我厂自六九年开始电解加工涡轮叶片锻模的试验工作。几年来,在学习兄弟单位先进经验的基础上,经过反复试验,终于将涡轮叶片锻模电解加工试验成功。涡喷五发动机涡轮叶片旧模具的电解加工修复从七一年初开始稳定地用于生产,并经受了长期考验;新模具也已试验成功,并初步用于生产。现将几年来试验的情况汇报如下:     

整体涡轮转子叶片的电解加工

近年来,在新产品试制中,为了提高产品质量,缩短试制周期,以适应产品向高转速、小型化、高强度方向发展,国内有关单位采用电解加工整体涡轮转子叶片,现将有关情况简介如下,供大家参考。     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样拉伸性能

研究了[001]取向的冷却叶片模拟试样的拉伸性能与断口。分别从温度、薄壁厚度以及气膜孔3个方面分析对其力学性能的影响。结果表明:薄壁圆管试样在过峰值温度后,抗拉强度与屈服强度随温度上升而降低,延伸率与截面收缩率则不断递增;2mm比1.5mm薄壁试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率及截面收缩率都要大;带气膜孔试样存在应力应变集中,导致其抗拉强度与屈服强度,延伸率与截面收缩率都要比不带气膜孔试样的低。对试样断口进行SEM分析,结果表明在中温和高温条件下,断口呈现不同的断裂特点,850℃的试样断面由光滑斜平面组成,而980℃的断口则以韧窝断裂为主。