[发明专利]一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法

说明书

本发明公开了一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法，包括飞秒激光器系统、光学导光系统、机械加工平台系统和控制系统，所述飞秒激光器系统的光路出口与光学导光系统的光路入口相对，光学导光系统的光路出口与机械加工平台系统的工作区域相对；所述机械加工平台系统与控制系统相连，控制系统调节机械加工平台系统的运动方向和运动速度。本发明通过飞秒激光加工系统能快速、高质量的完成航空发动机叶片气膜孔的加工，解决了目前航空发动机叶片加工过程中普遍存在的有重熔层、微裂纹、需后续加工、加工效率低、不能加工非导电材料等问题，为未来高质量的航空发动机叶片气膜孔的加工制造提供了一套很好的解决方案。

技术领域

本发明属于激光微孔加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜冷却孔的装置及方法。

背景技术

现代先进的航空发动机普遍采用小孔气膜冷却式涡轮叶片，以增加涡轮前温度，从而提高发动机的推重比。航空发动机性能的好坏很大程度上取决于叶片上气膜冷却孔的形状和质量，气膜冷却孔因其对发动机的冷却有较明显的效果，故一直受到航空装备业的广泛关注。然而由于气膜孔的加工技术难度高，一直是航空装备制造业亟需解决的难题。

气膜冷却孔的直径通常为0.1mm～0.8mm，其空间分布复杂，且定位精度要求高，角度多为15°～90°的斜孔，孔的形状多为圆锥形或簸箕形等，这些要求大大增加了其制造的难度，决定了传统的机械加工方法已经很难满足大批量微小气膜孔的加工需求。目前航空发动机涡轮叶片气膜孔的加工一般采用电火花、电液束流、长脉冲激光加工等方式。电火花加工是利用导电零件材料和工具电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象将多余材料去除的方法。电火花加工主要缺点是电极损耗大，但制作和修复较困难，生产效率低，且只能加工导体，同时也会产生微裂纹和重熔层。尽管针对重熔层的问题，研究人员对此开展了很多研究，如使用高速电火花穿孔加工技术、优化电火花加工参数、使用新材料电极等，以减小重熔层厚度，但这并不能从根本上解决重熔层问题。电液束加工包括电射流加工、毛细管电解加工和喷射液束电解加工三种不同的加工方式。电液束加工气膜孔不会产生重熔层、微裂纹和热影响区，但电液束的加工效率极低，轮廓形状最不可控，尺寸精度重复性差，且只能加工一定尺寸范围的圆孔，很难加工异形孔及多角度斜孔，不能满足批量生产需求。长脉冲激光加工航空发动机叶片气膜孔的孔壁一般存在数十微米厚的重熔层，而且重熔层内通常也存在微裂纹，有的甚至进入基体。这些缺陷的存在直接影响了叶片的疲劳寿命，更严重的会导致叶片在工作中疲劳断裂，其后果不堪设想(张晓兵.激光加工涡轮叶片气膜孔的现状及发展趋势.应用激光.2002)。

随着激光技术的快速发展，高功率、高光束质量的超短脉冲出现，飞秒(10-15秒)激光冷加工技术备受关注，在加工微孔、微槽和切割方面的质量远远优于其他加工方式。飞秒激光加工和传统长脉冲激光加工的机理不同，飞秒激光加工基本不产生热影响区，飞秒激光加工中激光脉冲同材料的作用时间极短，能够以极快的速度将全部能量注入到很小的作用区域，避免了激光能量的转移和扩散，能克服等离子体屏蔽，具有稳定的加工阈值，加工时的热量来不及传播，可视作无热影响区，无材料损伤。在整个加工过程中，材料的去除方式以蒸发和汽化的形式进行，无熔融相，因此没有重熔层的形成。飞秒激光超精细冷加工是对传统加工方式的革新，也是当今装备制造业的主要方式之一。同时随着材料科学的快速发展，未来航空发动机叶片必然会被陶瓷复合材料、碳硅复合材料等性能优良的新型材料所取代，而当前采用最多的电火花加工方式无法加工非导电材料。因此，飞秒激光加工是航空发动机涡轮叶片气膜孔加工的一种重要的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法，具有加工效率高、无重熔层、对材料无选择性等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：