超快激光技術是一種在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高強度光脈沖的先進技術，其在航空領域的應用正日益引起人們的關注。這項技術以其在測量、制造和通信等領域的卓越表現(xiàn)而著稱，而在航空工程中的廣泛應用則為飛行器的性能提升和安全性能提供了新的可能性。
超快激光一般是指脈沖寬度小于10-12s的激光，主要包括飛秒激光（1fs=10-15s）與皮秒激光（1ps=10-12s），由于超快激光脈沖作用時間極短，能瞬間產(chǎn)生極高的峰值功率，因此，與常見的通過光熱效應作用于材料的激光加工方式不同，其加工機理是直接電子態(tài)吸收，就是把能量傳至材料的晶格，破壞其結合鍵，最后以等離子體的形式向周圍噴發(fā)出去。并且，相較普通連續(xù)激光的熱加工方式不同，超快激光加工更符合“冷加工”方式，從激光與材料作用的機理上講，飛秒激光加工可實現(xiàn)高精度、熱影響區(qū)域小、無熱熔、無重鑄層、無微裂紋的材料去除，是提高航空發(fā)動機渦輪葉斤氣膜孔成形表面完整性的最佳手段之一。
Laser & Electron Beam Processing
02
具體應用
(1)航空發(fā)動機渦輪葉片的氣膜孔加工
渦輪葉片作為航空發(fā)動機的核心部件，其設計制造水平和工作性能影響航空發(fā)動機的使用壽命。一般采用在高溫合金表面噴涂熱障層的方式使渦輪葉片具備高韌性、高塑性、耐蝕性以及耐高溫的性能，除此以外，在表面進行設計氣膜孔結構，利用部件內(nèi)部釋放的冷空氣，通過微小孔內(nèi)的空氣對流，使得部件表面形成冷氣膜，從而起到隔離高溫燃氣流、保護部件的作用。但目前的電火花加工以及長脈沖激光等加工方式存在熱障層不導電、涂層脫落、出現(xiàn)裂紋以及涂層崩邊等缺陷，無法制備成型較好的小孔。
隨著超快激光加工技術的開發(fā)，目前已經(jīng)利用飛秒激光在渦輪葉片上制備出無涂層脫落、無裂紋且尺寸成型符合技術要求的氣孔，這為航空發(fā)動機的氣孔膜制備提供了全新技術。
帶熱障涂層渦輪葉片上分布的大量氣膜冷卻孔的加工可以實現(xiàn)高推重比、高性能發(fā)動機的應用，因此對帶熱障涂層葉片氣膜孔的加工提出了更高的要求。飛秒激光微孔加工技術以其高精度、高質量、冷加工等優(yōu)勢實現(xiàn)發(fā)動機高品質微孔加工，隨著飛秒激光制孔技術在各個方面的不斷完善和提升，目前可以實現(xiàn)無重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)的高精度帶熱障涂層葉片氣膜孔的加工，且可以確保熱障涂層加工后無發(fā)黑和脫落，因此飛秒激光微孔加工技術將成為實現(xiàn)帶熱障涂層葉片氣膜孔加工的重要方式。
圖1.長脈沖激光與飛秒激光制孔示意圖
圖2.帶熱障涂層渦輪葉片氣膜孔制孔實物示意圖
(2)航空發(fā)動機燃燒室的火焰筒氣膜孔加工
火焰筒是航空發(fā)動機燃燒室的主要組成部件和最重要的受熱部件之一，為保障火焰筒在極端高溫環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)工作，必須對其進行冷卻降溫，目前常見的同樣是采用涂層與氣孔結合的方式。采用長脈沖激光加工會導致涂層發(fā)生燒蝕、飛濺和崩邊等缺陷，這將大大影響火焰筒的使用壽命。目前，使用皮秒激光加工能夠制備表面無大面積脫落、分層且尺寸符合技術要求的氣膜孔，如圖2和圖3。
圖3.(a)帶熱障涂層平板試件及異型孔放大圖；(b)熱障涂層與金屬層間結合良好放大圖；
(c)帶熱障涂層火焰筒氣膜孔一次性制孔實物
(3)航空發(fā)動機的異形槽孔加工
密封性對航空發(fā)動機的性能具有重要影響，近年來隨著航空工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機性能也日益提升，面臨的工況條件更加復雜化，由于發(fā)動機密封失效而產(chǎn)生的故障日益增多，這些問題急需解決，因此對發(fā)動機密封性技術提出新的要求。指尖密封是一種可用于航空發(fā)動機主軸承腔密封和氣流流路密封的新型裝置，指尖密封件的加工，指尖密封件的加工要求高。目前的機械加工、電火花加工以及長脈沖激光加工無法解決產(chǎn)生的加工翹曲、變形等問題，但飛秒激光由于其極高的能量密度以及極短的加工時間，確保了加工過程的高效性和精度的準確性，在指尖密封件上沒有出現(xiàn)重熔層、裂紋以及毛刺等缺陷，為航空發(fā)動機高精密件的異性槽孔加工提供了新手段。
圖4.飛秒激光微細切割指尖密封件實物
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03
結論與展望
超快激光加工技術作為先進的材料加工制備技術，在航空發(fā)動機的制造領域具有廣闊的應用需求。但在超快激光加工技術在工程化應用中，應根據(jù)材料特性選擇不同的激光工藝參數(shù)，減少工藝流程，提升加工效率，確保材料成型質量及尺寸的精確度。隨著超快激光器技術的發(fā)展及工藝優(yōu)化的完善，加工效率低、可加工厚度受限等問題將得到有效解決，而超快激光加工與長脈沖激光加工技術結合的雙脈沖激光加工技術，將是未來提質增效的發(fā)展方向。
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來自： 高能束加工技術及應用
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