[发明专利]一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微小孔电加工技术领域，特别涉及一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法。

背景技术

涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片在发动机循环中承受着燃烧后的高温高压燃气冲击。涡轮前温度是发动机性能的重要指标，提高涡轮前温度是提高每千克气体循环功、提高发动机推力的有效措施。由于涡轮叶片材料可承受的温度有限，这就需要采用有效的冷却方式来降低涡轮叶片的壁面温度。涡轮冷却主要依靠气膜冷却技术，气膜冷却是由壁面上的喷口喷出冷却空气来阻隔主燃气流对壁面加热的一种热防护措施，气膜冷却兼有隔热和散热的双重作用，在航空发动机中得到广泛应用。

气膜孔的材料、结构和技术要求特征，决定了传统机械加工方法难于满足微小气膜孔加工需求。为了达到气膜孔加工技术要求，激光加工、电火花加工、电解（电液束）加工等非接触式特种加工被研究并逐步应用于气膜孔加工，各技术具有其优势和局限性。激光加工速度快，材料适用范围广，但加工孔深受到限制，而且由于激光烧熔作用，孔内粗糙度不均匀且形成较厚的重熔层。电火花加工精度较高，利用旋转电极中空高压冲液的小孔加工工艺，可达到较高加工效率，加工孔深可达到150 mm，孔内粗糙度较均匀，但也存在一定厚度的重熔层。电解加工根据工具电极不同可分为采用玻璃管内金属丝电极的加工和采用外壁涂有绝缘层金属管电极的加工两种方式，电解加工可实现无重熔层和微裂纹、无热影响区、表面精度高，但加工效率仍然远低于电火花加工小孔效率（朱海南, 齐歆霞. 涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展. 航空制造技术. 2011, (13): 71~74）。

随着微小孔激光加工和电火花加工工艺的进步，气膜孔内重熔层的形态和厚度有所改善，但由于涡轮用镍基高温合金材料有着高的热裂纹敏感性，在航空发动机的高温高压高转速环境下，气膜孔的重熔层和微裂纹将会导致气膜孔破裂、腐蚀从而致使叶片失效，威胁飞行体的安全。目前，除去激光、电火花加工微小孔重熔层的通用去除方法是采用磨粒流工艺，该工艺采用由聚合物载体和磨料组成的具有流动性的粘弹性材料对气膜孔表面进行抛光和去毛刺，可以获得较好的表面质量，但存在死角难以去除、对工件大小孔去除不均匀的问题。化学研磨是近期出现的气膜孔重熔层去除工艺，该工艺基于重熔层和叶片基体之间存在电位差的原理，通过化学溶液浸泡去除重熔层，对叶片进行大批量的后处理，特点是去除重熔层均匀、经济性好，但存在着通用性差、不同材料需配置不同化学溶液等问题（王茂才, 谢玉江, 王东生, 张杰. 镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法. CN：200910012654.5, 2009）。

影响气膜冷却效率的因素有很多，如吹风比、气膜冷却表面曲率、气膜孔复合角和气膜孔几何结构等，其中气膜孔出口形状对冷却效率的影响最为显著。大量研究表明：与常规圆柱形气膜孔相比，带复合角的气膜孔以及扇形气膜孔可获得更高的气膜冷却效率。目前加工气膜孔扇形孔口或簸箕形孔口的方法主要是采用带有一定角度的成形电极进行成型加工，该方法存在电极制造时间较长、电极损耗造成电极更换频繁和加工形状精度等问题。

发明内容

为解决带有复合角孔口（如扇形孔口、簸箕形孔口）的气膜孔的加工表面重熔层去除问题，以及簸箕形孔口的加工问题，本发明提供了一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法。

一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法，其具体步骤如下：

（1）高频电火花穿孔加工过程：即根据气膜孔加工要求的空间位置和角度，数控定位主轴头与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压冲液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到达预期设定的加工位置，加工出气膜圆孔；

（2）电解加工去除重熔层过程：保持同一电极与工件相对位置，使自适应密封机构贴合在工件表面实现密封，采用高压环电极外冲液方式的电解加工去除预期厚度的重熔层，并实现气膜孔内壁的抛光；

（3）电火花伺服扫描加工过程：采用中空高压冲液电极旋转的端部放电铣削加工方式，进行沿着簸箕形孔口方向的相对扫描运动加工；

（4）电解铣削加工过程：利用外冲液和电极端部电解扫描加工；

通过上述四个步骤即完成单个气膜孔的加工，对叶片上气膜群孔重复上述自动化工艺过程，即可一次装夹完成叶片全部气膜孔的加工。