氣膜冷卻孔飛秒激光加工技術(shù)與設(shè)備

由于航空發(fā)動機不斷增長的性能需求，高壓渦輪前溫度也一直在提高，因此，對先進葉片冷卻技術(shù)和氣膜冷卻孔加工技術(shù)和設(shè)備的要求也大為提高。飛秒激光加工技術(shù)是隨激光技術(shù)的發(fā)展逐步應(yīng)用于微孔加工，是一種高效且有發(fā)展前景的氣膜孔加工技術(shù)。

氣膜冷卻孔飛秒激光加工技術(shù)

氣膜孔加工技術(shù)是葉片制造水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的渦輪葉片氣膜冷卻孔的加工方法主要有傳統(tǒng)納秒激光加工、電火花加工和電液束加工等方法。這些方法各有特點：傳統(tǒng)的納秒激光打孔效率高，但重融層較厚；電火花打孔效率次之，重融層也相對較薄，成為渦輪葉片打孔的主流方法；電液束加工無重融層，但效率低。

傳統(tǒng)激光打孔和電火花打孔都屬于熱加工方法，高度集中的能量在小范圍內(nèi)對材料加熱融化和冷卻凝固，導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋和重融層。由于微裂紋和重融層對葉片的疲勞性能影響巨大，所以通常在傳統(tǒng)打孔工藝后單獨安排去除重融層工序。

飛秒（10-15s）激光加工技術(shù)是隨激光技術(shù)的發(fā)展逐步應(yīng)用于微孔加工的，由于其脈沖持續(xù)時間極短、峰值功率極高（可達PW量級，即1015W），與傳統(tǒng)的納秒激光加工不同，其獨特的冷加工去除材料機理使避免了重融層和微裂紋的出現(xiàn)。采用傳統(tǒng)納秒激光加工與飛秒激光加工小孔的效果對比如圖1所示。

除了常規(guī)圓柱形孔，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于渦輪葉片的主要是異形孔，其具有復(fù)雜三維形狀。相關(guān)研究表明，異形孔相對于圓柱形孔具有更好的冷卻效率。

另外，現(xiàn)在葉片表面通常覆蓋有熱障涂層（一般為氧化鋯或陶瓷等非導(dǎo)電材料），未來的渦輪葉片基體也趨向采用非金屬材料，以上兩點會導(dǎo)致采用傳統(tǒng)氣膜孔加工方法將十分困難或無法進行。而飛秒激光打孔具有材料適應(yīng)性廣、非接觸加工、無機械應(yīng)變、無大面積熱應(yīng)變、定位精度高、適合加工復(fù)雜孔型、可加工高精度群孔、極小重融層和微裂紋等特點。

用于航空發(fā)動機氣膜冷卻孔加工的飛秒激光設(shè)備

飛秒激光加工設(shè)備可通過智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)光束自適應(yīng)調(diào)節(jié)和工件高速自動定位技術(shù)相結(jié)合，從而完成對工件的超精細加工。飛秒激光氣膜冷卻孔加工設(shè)備通常由飛秒激光系統(tǒng)（主要搭載激光器）、計算機控制系統(tǒng)、電荷耦合元件（CCD）與光學(xué)成像系統(tǒng)、工件操縱移動平臺等，如圖2所示。

由于使用飛秒激光氣膜孔方法加工出的氣膜冷卻孔具有孔壁無重鑄層和微裂紋，且表面粗糙度低，無須后續(xù)處理等優(yōu)點，業(yè)界已著手突破飛秒激光器領(lǐng)域，并形成了較為成熟的商業(yè)市場。

搭載PHAROS飛秒激光器的加工系統(tǒng)

該套系統(tǒng)為意大利巴里理工大學(xué)自主搭建，搭載型號為PH1-2MJ的Yb∶KGW飛秒激光器，其發(fā)射波長為1.03μm，單次脈沖重復(fù)頻率范圍1～600kHz，脈沖持續(xù)時間范圍3×10-13～1×10-11s，試驗系統(tǒng)組成示意如圖3。

PHAROS的輸出參數(shù)具有可調(diào)諧性，可調(diào)參數(shù)包括脈沖持續(xù)時間（1.9×10-13～ 1×10-11s）、重復(fù)率（單脈沖至1 MHz）、脈沖能量（高達2 MJ）和平均功率（高達20 W）。其內(nèi)置脈沖選擇器允許在按需脈沖模式下方便地控制激光輸出，配有豐富的外部控制接口可輕松將激光器集成到更大的機構(gòu)和加工工作站。PHAROS擁有緊湊牢固的光機設(shè)計，各模塊易于更換，控制溫度穩(wěn)定的密封外殼可以確保在不同環(huán)境下進行穩(wěn)定的激光操作。另外，PHAROS配備了豐富的軟件包，確保流暢的自動化操作，并允許快速、輕松地集成到各種處理設(shè)備。PHAROS激光器的輸出特性見表1。

除激光器單元外，該系統(tǒng)還包括激光掃描單元、可視單元與工件操縱單元。該系統(tǒng)既可在線性模式下使用，包括三個直線移動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸（工作范圍：1000mm×1000mm），也可通過振鏡掃描頭（工作范圍：7mm×7mm）和一個光束轉(zhuǎn)換單元(WOP)在掃描模式下使用。該套設(shè)備的系統(tǒng)配置允許工業(yè)與科研領(lǐng)域的高精度加工（微切割、微鉆孔、微成形、微刻蝕等）。

該套系統(tǒng)用于在金屬板上打微孔，以孔的圓度、傾斜度和入口尺寸穩(wěn)定性為評判打孔質(zhì)量的指標，且具有如下優(yōu)點：尺寸誤差限制在微米級；由于激光和熱缺陷（裂紋、毛刺、氧化）引起的誤差最??；具有良好的控制幾何參數(shù)的能力（孔錐度、切深、切削刃傾角）；在激光波長和脈沖寬度的作用下表現(xiàn)出顯著差異；加工次數(shù)最少。

搭載自動可調(diào)諧超快激光器Mai Tai HP的加工系統(tǒng)

該型由德國斯圖加特大學(xué)搭建的平臺搭載了由光譜物理公司研發(fā)的型號為Mai Tai HP的飛秒超短脈沖鈦寶石激光器，可用于金屬材料的微孔加工的理論及工藝研究。表2為Mai Tai HP激光器的輸出特性。

表1 PHAROS激光器輸出特性

表2 Mai Tai HP激光器的輸出特性

該激光器在 80 MHz 的標稱重復(fù)率下運轉(zhuǎn)，可提供大范圍的可調(diào)諧波長，同時實現(xiàn)了高峰值功率和科研擴展性。除激光器外，試驗平臺還包括一臺光學(xué)展寬器、一臺再生放大器和一臺脈沖壓縮器。由于高性能的超快振蕩器和放大器均需要可靠的高性能泵浦激光器，因此該自主搭建的系統(tǒng)中，以二極管泵浦Nd∶YLF綠光激光放大器，得到中心波長為800nm的脈沖。通常情況下，1MJ單脈沖能量對應(yīng)的脈沖寬度為1.2×10-13s、重復(fù)頻率為1kHz，以上參數(shù)由Clark MXR自相關(guān)測量器測量得到。需要特別指出的是，在光路中引入放大器和含有兩個偏振片的系統(tǒng)，是為了降低和控制激光脈沖，得到小的單個能量（通常為0.05 ～ 0.5MJ/pulse）。

此外，該系統(tǒng)還通過搭載遠程CCD相機的精確成像系統(tǒng)，來精準監(jiān)測加工區(qū)域材料去除的情況。

UMW系列飛秒激光微加工工作站

圖4所示為美國萊特州立大學(xué)（Wright State University）配置的UMW系列飛秒激光微加工工作站。這款由Clark MXR公司憑借其在超短脈沖激光領(lǐng)域二十多年的的實踐研究與產(chǎn)品經(jīng)驗，研制出的高度集成的、具有廣泛適用性的微加工工作站，已經(jīng)成為成熟的商業(yè)產(chǎn)品。

表3 運動定位系統(tǒng)參數(shù)

表4 視覺監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)

該工作站主要組成為激光器、運動定位系統(tǒng)、視覺監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。它集成了激光微加工中所需的一切元器件以及軟件。軟件接口采用工業(yè)標準G代碼形式。表3和表4分別為該系統(tǒng)運動定位系統(tǒng)、視覺監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)。

搭載于該工作站的是型號為CPA-2101的可產(chǎn)生皮秒（10-12s）至飛秒（10-15s）的超短脈沖激光器，圖5為CPA-2101激光器外形。它內(nèi)部集成了超短脈沖振蕩器與放大器系統(tǒng)，可通過接口與Windows平臺的計算機相連接實現(xiàn)對激光器的控制。控制軟件提供了對激光性能參數(shù)控制的功能，例如調(diào)整輸出功率、脈沖寬度、泵浦功率、時間、單脈沖或多脈沖群選擇，另外還包括一套診斷程序用于監(jiān)視。CPA-2101激光器的輸出特性見表5。

表5 CPA-2101的輸出特性

五軸超快激光微孔加工設(shè)備

該設(shè)備由中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所自主研發(fā)，型號為MicroDrill100，如圖10所示。

該設(shè)備以飛秒激光光斑作為裝備“刀具”，實現(xiàn)一點到一線然后到一層，層層剝離的方式進行加工，具有極高的加工精度，該裝備的關(guān)鍵技術(shù)包括：高功率、高重復(fù)頻率

表6 MicroDrill100主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)束語

飛秒激光器；高精度光束掃描技術(shù)；三維輪廓檢測輔助定位技術(shù)；集成光束實時監(jiān)測和工藝數(shù)據(jù)庫的控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

MicroDrill100主要針對航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵小型零部件的超精細冷加工而開發(fā)，可實現(xiàn)各類高溫合金、金屬、非金屬、特別是復(fù)合材料表面的各類微結(jié)構(gòu)的加工，如通孔、異形孔、盲孔、微腔、型腔、異型槽等復(fù)雜形貌微結(jié)構(gòu)的制備。因此該設(shè)備特別適合于航空發(fā)動機葉片氣膜孔的高品質(zhì)高效制孔。

基于以上對用于航空發(fā)動機氣膜冷卻孔飛秒激光加工技術(shù)與設(shè)備的調(diào)研情況，初步得出以下結(jié)論。

研究機構(gòu)與高校通常自主搭建完整的試驗系統(tǒng)，而不是購買具有高成熟度的成套設(shè)備。研究人員通常購置核心的激光輸出設(shè)備后，開發(fā)適合研究目標的控制與監(jiān)控系統(tǒng)，將設(shè)備集成后形成專門用于發(fā)動機零部件修復(fù)的系統(tǒng)，往往具備實驗室鮮明的特色，且隨著技術(shù)成熟度的提高，部分發(fā)展為專業(yè)的設(shè)備集成商。

而航空發(fā)動機制造與維修廠商一般通過購買研究所和高校自行搭建的試驗系統(tǒng)來開展生產(chǎn)，或通過產(chǎn)學(xué)研合作的方式支持科研院所研制設(shè)備和技術(shù)，雙方共享知識產(chǎn)權(quán)。

由于航空發(fā)動機制造與維修廠商眾多，通常與各大研究機構(gòu)和高校密切合作，其中既有政府牽頭，又有自發(fā)組織。廠商為基礎(chǔ)與應(yīng)用研究提供成熟的設(shè)備或加工模塊，科研人員為商業(yè)領(lǐng)域帶去前沿科技、帶去智慧與創(chuàng)新，甚至為其輸出高素質(zhì)員工，共同促進了航空發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展與進步。