[發明專利]一種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的裝置及方法

在審

• 申請號: 201610064752.3
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105458530A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發明（設計）人: 孫樹峰;邵勇;孫術彬;孫術慧;莊梅;王萍萍
• 申請（專利權）人: 孫樹峰
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/064
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的裝置及方法，包括飛秒激光器系統、光學導光系統、機械加工平臺系統和控制系統，所述飛秒激光器系統的光路出口與光學導光系統的光路入口相對，光學導光系統的光路出口與機械加工平臺系統的工作區域相對；所述機械加工平臺系統與控制系統相連，控制系統調節機械加工平臺系統的運動方向和運動速度。本發明通過飛秒激光加工系統能快速、高質量的完成航空發動機葉片氣膜孔的加工，解決了目前航空發動機葉片加工過程中普遍存在的有重熔層、微裂紋、需后續加工、加工效率低、不能加工非導電材料等問題，為未來高質量的航空發動機葉片氣膜孔的加工制造提供了一套很好的解決方案。

技術領域

本發明屬于激光微孔加工技術領域，具體涉及一種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜冷卻孔的裝置及方法。

背景技術

現代先進的航空發動機普遍采用小孔氣膜冷卻式渦輪葉片，以增加渦輪前溫度，從而提高發動機的推重比。航空發動機性能的好壞很大程度上取決于葉片上氣膜冷卻孔的形狀和質量，氣膜冷卻孔因其對發動機的冷卻有較明顯的效果，故一直受到航空裝備業的廣泛關注。然而由于氣膜孔的加工技術難度高，一直是航空裝備制造業亟需解決的難題。

氣膜冷卻孔的直徑通常為0.1mm～0.8mm，其空間分布復雜，且定位精度要求高，角度多為15°～90°的斜孔，孔的形狀多為圓錐形或簸箕形等，這些要求大大增加了其制造的難度，決定了傳統的機械加工方法已經很難滿足大批量微小氣膜孔的加工需求。目前航空發動機渦輪葉片氣膜孔的加工一般采用電火花、電液束流、長脈沖激光加工等方式。電火花加工是利用導電零件材料和工具電極之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現象將多余材料去除的方法。電火花加工主要缺點是電極損耗大，但制作和修復較困難，生產效率低，且只能加工導體，同時也會產生微裂紋和重熔層。盡管針對重熔層的問題，研究人員對此開展了很多研究，如使用高速電火花穿孔加工技術、優化電火花加工參數、使用新材料電極等，以減小重熔層厚度，但這并不能從根本上解決重熔層問題。電液束加工包括電射流加工、毛細管電解加工和噴射液束電解加工三種不同的加工方式。電液束加工氣膜孔不會產生重熔層、微裂紋和熱影響區，但電液束的加工效率極低，輪廓形狀最不可控，尺寸精度重復性差，且只能加工一定尺寸范圍的圓孔，很難加工異形孔及多角度斜孔，不能滿足批量生產需求。長脈沖激光加工航空發動機葉片氣膜孔的孔壁一般存在數十微米厚的重熔層，而且重熔層內通常也存在微裂紋，有的甚至進入基體。這些缺陷的存在直接影響了葉片的疲勞壽命，更嚴重的會導致葉片在工作中疲勞斷裂，其后果不堪設想(張曉兵.激光加工渦輪葉片氣膜孔的現狀及發展趨勢.應用激光.2002)。

隨著激光技術的快速發展，高功率、高光束質量的超短脈沖出現，飛秒(10-15秒)激光冷加工技術備受關注，在加工微孔、微槽和切割方面的質量遠遠優于其他加工方式。飛秒激光加工和傳統長脈沖激光加工的機理不同，飛秒激光加工基本不產生熱影響區，飛秒激光加工中激光脈沖同材料的作用時間極短，能夠以極快的速度將全部能量注入到很小的作用區域，避免了激光能量的轉移和擴散，能克服等離子體屏蔽，具有穩定的加工閾值，加工時的熱量來不及傳播，可視作無熱影響區，無材料損傷。在整個加工過程中，材料的去除方式以蒸發和汽化的形式進行，無熔融相，因此沒有重熔層的形成。飛秒激光超精細冷加工是對傳統加工方式的革新，也是當今裝備制造業的主要方式之一。同時隨著材料科學的快速發展，未來航空發動機葉片必然會被陶瓷復合材料、碳硅復合材料等性能優良的新型材料所取代，而當前采用最多的電火花加工方式無法加工非導電材料。因此，飛秒激光加工是航空發動機渦輪葉片氣膜孔加工的一種重要的發展趨勢。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的裝置及方法，具有加工效率高、無重熔層、對材料無選擇性等優點。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：