[发明专利]飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法

说明书

本发明属于涡轮叶片技术领域，具体涉及一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，包括以下步骤：S1.定位：对待加工空心涡轮叶片进行姿态调整，并对制孔位置进行精确定位和坐标记录；S2.分步进行飞秒激光旋切，包括飞秒激光快速旋切通孔和飞秒激光精细旋切目标孔。本发明能够有效提升现有飞秒激光制备气膜孔的加工效率、几何精度和表面质量，从而促进飞秒激光制孔技术广泛成熟应用于涡轮叶片的冷却气膜孔制备。

技术领域

本发明属于涡轮叶片技术领域，具体涉及一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法。

背景技术

提高燃气涡轮进口温度是提高燃气涡轮发动机功率、热效率等性能的最重要技术途径之一。空心单晶涡轮叶片由于采用了气膜孔冷却技术，可以在远超材料耐温极限的温度下运行。尽管该方式有效降低了叶片表面的温度，但是冷却气膜孔的引入破坏了涡轮叶片的结构完整性，引起应力集中，在热应力、离心力、气动力等复杂载荷的作用下，这些危险部位将严重威胁到涡轮叶片的结构强度。更值得注意的是，制孔工艺不良引起的气膜孔孔周再铸层、热影响区、微裂纹、锥度等表面质量缺陷，不仅会导致冷却气流紊乱，影响冷却效率，还会使得气膜孔更容易成为涡轮叶片裂纹形核和失效断裂的多发部位。因此提升涡轮叶片气膜孔的成型质量对于提升涡轮叶片的运行可靠性和服役寿命具有重要意义。

激光打孔区别于电火花、电液束等加工方式，具有效率高、无材料选择性、环保等优点，尤其是超快飞秒激光是目前最具潜力的一种气膜孔加工方式，但是目前飞秒激光制备涡轮叶片冷却气膜孔时，仍然存在锥度大、圆度差、孔壁粗糙度大和孔壁均匀性差等几何和表面质量问题，以及加工效率不理想，从而使飞秒激光制孔技术难以广泛成熟应用于涡轮叶片的冷却气膜孔制备。

发明内容

本发明所要解决的问题是提升现有飞秒激光制备气膜孔的加工效率、几何精度和表面质量，从而促进飞秒激光制孔技术广泛成熟应用于涡轮叶片的冷却气膜孔制备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，包括以下步骤：

S1.定位：对待加工空心涡轮叶片进行姿态调整，对制孔位置进行精确定位和坐标记录；

S2.分步进行飞秒激光旋切，包括飞秒激光快速旋切通孔和飞秒激光精细旋切目标孔。

优选的，

所述S1前还包括以下步骤：S0.对待加工空心涡轮叶片的空腔使用填充物进行填充，用以避免激光对叶片后壁的损伤。

所述S2后还包括以下步骤：S3.去除填充物。

优选的，所述S2包括以下步骤：

S21.第一步飞秒激光快速旋切：进行第一步飞秒激光旋切快速预制通孔；

S22.第二步飞秒激光精细旋切：优化加工参数，进行第二步飞秒激光旋切制备规定尺寸的目标孔。

优选的，在所述S3后还包括以下步骤：

S4.对加工形成的气膜孔几何尺寸和表面质量检测。

优选的，在步骤S0中，所述的填充物为刚玉砂；定位的夹具根据涡轮叶片的榫头尺寸设计。

优选的，在步骤S1中，通过调整x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度α、β、γ，用以实现待加工叶片的任意姿态调整。

优选的，所述S1中的定位位置跟设计开孔的位置误差相差±10μm