飛秒激光打孔與氣膜冷卻 | 航空發動機專題_風聞

在第十二屆珠海航展上，中航發動機展台上有這麼一件展品，這個展品是一個高壓渦輪盤，高壓渦輪盤的最外圈是一排渦輪葉片，在渦輪葉片上我們能看到很多排細小的氣孔。渦輪葉片的工作環境很惡劣，要承受很大的離心力，為什麼還要在渦輪葉片上打孔呢？

這個還要從渦輪葉片的工作環境説起。以美國F22戰鬥機配套的F119發動機為例，其渦輪前進氣温度為1973K，換算為攝氏度就是1700℃。而F119發動機渦輪葉片用的是第二代單晶高温合金CMSX-4，其工作温度1040℃，熔點是1343℃。換句話説，發動機燃燒室產生的燃氣温度比單晶高温合金的熔點還要高出近四百度，那麼燃氣吹在渦輪葉片上，它不會被融化嗎？渦輪葉片當然不能被融化，那麼就需要採用冷卻措施來降温，以保證渦輪葉片能夠正常工作。常用的冷卻措施包括在渦輪葉片上噴塗熱障塗層，或者採用氣膜冷卻技術。熱障塗層通常能夠提供兩三百度的冷卻温度，剩下的近四百度冷卻温度就要靠氣膜冷卻技術了。

採用氣膜冷卻技術的渦輪葉片

我們先來説説氣膜冷卻，所謂氣膜冷卻就是在葉片表面打很多氣孔，在葉片內部注入高壓冷卻空氣，經氣孔排出，在葉片表面形成一層温度較低的空氣膜將高温的燃氣和渦輪葉片隔開。從上個世紀八十年代開始，發達國家就掌握了氣膜冷卻技術，並且憑藉這一先進技術確立起了航空發動機領域的領先地位。而我國航空發動機技術長期以來的技術落後跟沒有掌握先進的氣膜冷卻技術也有很大關係。

這是個氣膜冷卻的渦輪葉片的內部結構

氣膜冷卻一般通過在渦輪葉片上打大量不同直徑的氣膜孔來實現，孔徑約為100~700微米，且空間分佈複雜，多為斜孔，角度為15°到90°不等。早期氣膜孔為簡單的圓形孔，為了提高冷卻效率，後發展為扇形或矩形等異形孔，現在已經發展到複雜的異形孔如貓耳形孔。

這三種氣膜孔從上到下分別是圓形孔、扇形孔和貓耳形孔

因為氣膜孔直徑很小而且形狀複雜，無法靠鑄造直接成型，因此都是在鑄造完畢後另行加工的，這就給加工帶來極大的難度。目前主流的方法是電火花機牀加工，但工具電極製造極為困難，很難加工小於200微米的孔，但是複雜異形孔往往需要50微米的加工精度而且要有三維精密加工能力，這對電火花加工來説很難實現。而且，渦輪葉片表面通常要覆蓋一層熱障塗層、一般是陶瓷材料，因為不導電，採用傳統電火花機牀無法加工。只能先打孔再噴塗熱障塗層，然後再擴孔的方法。但是需要頻繁的檢測及二次擴孔。二次擴孔又面臨精確對準難題，而且會對孔周邊的塗層產生損傷，因此氣膜孔加工的質量難以保證。隨着未來發動機渦輪葉片材料逐漸走向非金屬化，電火花加工更不靠譜。關注微信公眾號: 尖端防務

隨後又發展了超聲-電火花加工，先用超聲穿透陶瓷塗層，再用電火花加工金屬部分。或者先用強激光打穿陶瓷塗層，再用弱激光加工金屬部分。這基本上都是複合加工，沿用的都是先塗層再打孔的思路，但是這樣工藝複雜，很不理想。對單晶葉片來説還有個難題要克服，那就是熱損傷，因此技術難度更大。關注微信公眾號: 尖端防務

上個世紀六十年代又發展了電化學射流也就是電液束流加工技術來加工葉片，這一技術可以獲得無再鑄層、微裂紋、熱影響區表面，但加工效率很低。而且存在雜散腐蝕現象，導致開孔的輪廓形狀難以控制，因此也不是一種理想的氣膜孔加工手段。

要實現先進氣膜孔冷卻技術，需要拋棄先開孔後塗層的加工工藝。要在一次裝卡過程完成全部加工，也就是要實現單步單機打孔。這樣就只能考慮用激光來加工，早期激光加工多采用毫秒級激光，但是這樣的長脈衝激光熱影響區嚴重，不適合單晶葉片。後來飛秒激光的出現才解決了問題。飛秒激光是一種以脈衝形式運轉的激光，持續時間非常短，屬於飛秒量級，1飛秒就是1/1000萬億秒。它的瞬時功率非常高，可達到百萬億瓦。能量來不及釋放該脈衝已經結束，避免了能量的轉移、轉化熱量的存在和熱擴散，實現了真正意義上的激光“冷”加工。這樣加工時切面整齊、無熱擴散、無微裂紋及冶金缺陷，加工過程中不會對所涉及的空間範圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的超精細。

右邊這個是貓耳形氣膜孔的實際外形照片

2017年，中國科學院西安光學精密機械研究所，開發出國內最高單脈衝能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器，研製出系列化超快激光極端製造裝備。在國際上率先突破了小空腔0.5毫米葉片對壁無損傷微孔加工的世界技術難題，在國內率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結構掃描成形技術，實現了超高精度50±2微米及異型氣膜孔的高品質加工，為實現先進氣膜冷卻技術提供了重要的技術支撐，達到了國際領先水平。完成了國產發動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證。關注微信公眾號: 尖端防務

而且，這一技術也為我國發展渦輪葉片發散冷卻技術打下了良好基礎。發散冷卻又稱發汗冷卻，可以實現比氣膜冷卻更高的冷卻温度。但實現技術難度也更大，因為發散冷卻需要在葉片表面開更多更小的氣孔，完全覆蓋葉片表面。而飛秒激光打孔就有這樣的潛力。雖然無法確定展台上的渦輪葉片是否使用了飛秒激光打孔技術，但我們確確實實掌握了這一先進技術。關於氣膜冷卻技術我們先説到這裏，下次來我們來談談我國在熱障塗層技術上的創新。