带热障涂层镍基单晶高温合金的激光制孔研究

采用毫秒激光和皮秒激光在带热障涂层的镍基单晶合金上加工了气膜孔,对比研究了长脉冲与超短脉冲加工对热障涂层及金属基体孔壁形貌的影响。实验发现,波长1064 nm的毫秒激光在试样表面产生的能量密度直接影响到陶瓷层的加工。以2866 J/cm2的能量密度从陶瓷面加工,陶瓷面的熔化所需要的热积累时间长,热量会传导至高温金属,产生类似熔池的热影响;而从金属面加工则由于陶瓷是最后加工的材料,有足够的热积累时间熔化陶瓷涂层,从而直接打通小孔。当毫秒激光的能量密度提高至6369 J/cm2时,热量在涂层中的积累速度加快,陶瓷材料能够快速熔化,从而避免了金属基体先于陶瓷熔化的现象,同时,加工过程中熔化后的陶瓷会经过孔通道,从而出现附着在孔壁上的现象。采用皮秒激光加工陶瓷涂层仅需要能量密度达到32 J/cm2,皮秒激光旋切制孔是将小孔圆周上的材料全部剥蚀掉,直至孔打通,而孔内的材料会从孔中掉出。皮秒激光加工中产生的等离子体冲击力会引起涂层的开裂,由于热障涂层制备方法不同引起涂层中的裂纹方向有所不同,等离子喷涂制备的涂层为层状结构,裂纹易沿平行于表面方向生长,而EB-PVD制备的涂层为柱状晶结构,裂纹多出现在柱状晶的间隙。     

激光打孔机床控制系统设计与分析

激光加工机床近年来广泛应用于航空、航天、兵器、电子、核工业等国防工业,以及汽车、机车、机械制造等民用行业。针对透平机械上的火焰筒气膜孔的加工及薄壁零件异形孔切割,介绍一种基于YAG固体激光器的激光打孔机的结构。该打孔机选用FAGOR数控系统、日本HARMONIC驱动器及力矩电机构成打孔机的五轴结构。详细分析系统调试参数对激光制孔工艺的影响。试验结果表明,机床结构加工性能良好,该控制模式具有很好的通用性,可用于其他类型的激光加工机床。     

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。     

金属材料超快激光制孔研究进展

超快激光作为一种先进加工手段，因具有高柔性、高峰值功率密度、热影响小等特点可满足任意材料的精密加工，在航空航天、电子信息、新能源等领域的金属材料精密制孔中具有显著优势，故针对金属材料的超快激光冲击制孔、铣削制孔、螺旋制孔、环切制孔以及复合工艺制孔等工艺进行综述，总结了各制孔工艺的优势和面临的挑战。     

超短脉冲激光加工陶瓷基复合材料制孔研究

陶瓷基复合材料由于能够提高零件的耐高温和推重比等性能,适用于航天发动机热端部件,但由于在传统加工过程中易出现崩边、层间撕裂等缺陷,且无法实现微孔加工限制了其使用。通过选择飞秒级超短脉冲激光加工制备陶瓷基复合材料微孔,探索加工方案、优化工艺参数,对加工后的表面完整性进行评价,确定了超短脉冲激光微孔加工孔径范围、几何精度及表面质量,有助于解决陶瓷基复合材料微孔加工难题。     

自修复热障涂层与激光制备方法研究现状

热障涂层是涡轮发动机制造的关键技术之一,在航空及能源动力领域有着十分重要的作用。经过半个世纪的研发,热障涂层技术已经取得了可喜的进展,但是仍然不能满足燃气涡轮发动机向大推力、高效率、低油耗和长寿命方向发展的要求。本文在介绍热障涂层技术发展历程与失效机理的基础上,阐述了自修复热障涂层的工作机理和研究现状,并分析了激光制备热障涂层研究成果,预测了热障涂层激光制备的技术前景。     

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。     

新型高岭土在发动机火焰筒表面涂层上应用

某型发动机的火焰筒表面采用高温陶瓷涂层防护。该涂层用添加少量高岭土的玻璃料熔烧而成。由于批量生产时曾出现涂层与金属基体结合强度以及涂层耐酸性降低的问题,追溯工艺流程,发现高岭土原料存在问题。实际上,由于原料不合格导致的涂层质量问题在工艺试制时也偶有发生,但以前主要关注主料玻璃料,较少关注辅料高岭土的问题。本文对涂层的制备工艺及高岭土的作用进行了分析,针对原高岭土存在的问题以及新型高岭土的试用效果,探讨了选用新型高岭土的依据,力图解决当前发动机火焰筒陶瓷涂层的质量控制和提高新机火焰筒组件的性能等问题。     

精铣缸体底面钻铰定位销孔数控机床的研发

发动机缸体底面及定位销孔作为缸体生产线加工中的重要定位基准,其精度对发动机产品的性能和使用寿命的影响起关键作用.通过对目前国内行业针对这两个基准加工采取的加工工艺和加工设备进行了分析,研发了一种用于发动机缸体底面精铣及底面定位销孔加工的数控组合机床,并介绍滑台式精密铣头、多功能专用夹具、定位销孔加工等关键技术.     

采用CBN砂轮磨削气缸体Ni-SiC复合镀层

与离子溅射、火焰溅射、CVD等方法相比较, 采用电沉积方法形成的复合镀层有着非常优越的性能,但同时复合镀层的精密加工亦成为制约其性能发挥的关键.某小型航空发动机气缸体中由于有Ni-SiC复合镀层,其内孔磨削的难加工是制约该型号发动机性能的关键工艺.针对该缸体的特殊结构及镀层特点,文中采用合理的装夹方式及磨削工艺参数,在精密内圆磨床上采用陶瓷结合剂CBN砂轮实现了对Ni-SiC复合镀层内孔的磨削.实践证明,该工艺方法解决了Ni-SiC弥散复合镀层的精密加工难题,提高了加工效率,改善了表面尺寸形状精度和表面粗糙度.     

电火花精密线切割技术在异形孔喷丝板加工中的应用

异形化学纤维及其产品是发展化纤工业的主要品种。而异形孔喷丝板是纺制异形纤维的一项关键部件,异形孔喷丝板的研制成功与否和质量情况直接影响异形纤维及其产品的试制。同时这项工作对于发展我国精密电火花加工技术也会有很大的促进作用。本文主要是总结一年多来采用电火花线切割工艺来制造异形孔喷丝板方面的技术和经验。     

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。     

航空发动机浮动瓦片热障涂层脱落分析

航空发动机火焰筒浮动瓦片采用等离子喷涂Y₂O₃-ZrO₂热障涂层进行防护,发动机试车后部分浮动瓦片的热障涂层局部区域发生脱落。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等对发生涂层脱落的浮动瓦片表面形貌、显微组织、微区成分和相组成进行分析。结果表明：热障涂层主要发生Y₂O₃-ZrO₂面层剥落,裂纹萌生于NiCoCrAlY底层未熔颗粒突起部位所形成的热生长氧化层(TGO)附近,并沿平行于界面的方向扩展。陶瓷面层脱落的原因与金属底层厚度偏薄,金属底层含有超量的未熔颗粒及孔隙,陶瓷面层中含有单斜晶系m相有关,从而导致高温下陶瓷面层中应力过大而开裂、剥离。加强涂层组织结构检验并采用纳米结构团聚型面层喷涂粉末,能够改善热障涂层的工作可靠性。     

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。     

单晶涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展

对比分析了传统电火花、电液束及长脉冲激光加工在航空发动机单晶涡轮叶片气膜孔加工品质、加工精度或加工效率等方面的优势与不足,指出飞秒激光技术可为单晶叶片高品质气膜孔加工提供解决方案。为此,重点分析了飞秒激光"冷加工"特性及机理,并介绍了能量损伤阈值的基本理论及试验测定方法;同时,概述了飞秒激光烧蚀机理的数值计算模型及方法,提出结合双温度场模型的分子动力学方法是数值模拟的发展方向。     

热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展

孔隙在热障涂层中较为常见,孔隙对热障涂层的性能有利有弊。对热障涂层陶瓷层中孔隙的形成机理进行了综合分析,总结了热障涂层孔隙结构的调控方法,讨论了孔隙结构特征对热障涂层隔热性能和力学性能的影响。孔隙结构的引入将引起力学性能的下降,同时降低热障涂层的热导率,提高隔热效果。孔隙结构特征参数包括孔隙形状、孔隙间距、孔隙倾斜角、孔隙高宽比等,其中孔隙的倾斜角和高宽比对涂层导热性能的影响尤为重要,是孔隙结构的关键特征参数。通过原始粉末孔隙结构的保留、造孔剂(有机造孔剂、无机造孔剂)的搭配造孔、制备工艺(临界等离子喷涂参数、粒子扁平率等)的调节以及后续的孔隙处理,可实现热障涂层孔隙结构的调控。在实际应用过程中应同时兼顾力学性能和隔热性能,最重要的是保证热障涂层的有效寿命,需要综合考虑力学性能与导热性能的匹配。通过热障涂层孔隙结构特征的设计及分布控制,可实现孔隙结构高性能、高可靠性热障涂层的制备。     

大锥度上下异形孔慢走丝线切割加工工艺

介绍了高精度慢走丝线切割机床加工大锥度上下异形孔的加工工艺,根据零件上下异形孔锥度为41°的特点,分析其加工的难点,在试加工过程中,出现断丝现象,经分析和不断修改脉冲电源参数及机床参数,成功完成此次加工。     

激光重熔对TiAl合金表面等离子喷涂热障涂层耐热腐蚀性能的影响

分别采用等离子喷涂和等离子喷涂一激光重熔复合工艺在TiAl合金表面制备了热障涂层,研究了两种涂层在850℃：下75％Na2SO4＋25％NaCl（质量分数）熔融盐中的热腐蚀行为,进而分析激光重熔工艺对等离子喷涂热障涂层耐热腐蚀性能的影响。结果表明：激光重熔热障涂层可以有效地阻止熔融盐腐蚀介质进入涂层发生腐蚀,具有更优的抗热腐蚀性能和使用寿命。     

热障涂层的研究进展

热障涂层(Thermal Barrier Coatings.TBCs)常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。本文对热障涂层概述、国内外发展现状、热障涂层的应用、热障涂层的发展趋势几方面进行了综述,希望对热障涂层的研究进展有所了解。     

火焰喷涂热障陶瓷梯度涂层的制备工艺及性能

在优化热障梯度涂层和过渡层的成分设计及氧乙炔火焰法制备工艺的基础上，获得了组织致密，有良好冶金结合的Al2O3／Fe热障梯度涂层。结果表明，涂层中的Al2O3分布基本均匀，且在整个涂层中，从钢基体到涂层表面的化学成分呈梯度分布，涂层与钢基体及各涂层之间存在明显的冶金结合；所获得的Al2O3热障梯度涂层与普通纯Al2O3热障涂层和带底层（Ni）和过渡层（Cu）的热障涂层相比，与基体间的结合力显著提高，弯曲强度、耐热冲击性能大为增强，涂层热障效果随涂层的数量和Al2O3含量的增加也获得明显提高。