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激光加工技術在先進發動機部件中典型應用

2016/10/9

激光與普通光相比最突出的特性是單色性、方向性好,相干性和亮度高。其中,相干性是指光在時間、空間上兩個光波場的相關程度。激光另外一個特點是瞬時性,通過調Q、鎖模等脈沖壓縮技術可以實現激光脈沖持續時間僅為ns(10-9s)、ps(10-12s)甚至fs(10-15s)。

自上世紀60年代初第一臺激光器誕生以來,伴隨著人類對激光特性、激光與物質相互作用機理等理論研究的不斷深入,以及各種高性能、高效率激光器件的不斷涌現,在以航空航天行業為代表的各類軍用和民用產品對高質量、低成本、綠色制造技術需求的牽引下,激光加工技術研究與應用日趨廣泛而深入,并逐漸成為引領各行業制造技術發展的重要驅動力之一。

激光加工技術充分利用了激光好的方向性、高亮度和瞬時性,是以激光作為加工熱源的一種特種加工技術,包括激光焊接、激光切割、激光制孔、激光表面處理、激光增量制造及激光微納加工。由于激光具有良好的單色性、方向性、相干性,以及高亮度等特性,激光加工在許多方面具有其他加工方法無法比擬的優點,如無接觸、無“切削力”加工,高硬度、高脆性、高熔點材料加工,高靈活性、高可控性加工,高精度、高質量、高效率加工等。經過近幾十年的不斷發展,激光技工技術已經形成了較為系統完善的技術群(如圖1所示),包括焊接、切割、制孔、標記、雕刻、熔覆、表面熱處理、合金化、清洗、沖擊強化、增材制造及激光微納加工等。

激光加工技術是推動以航空、航天飛行器為代表的運載工具向高性能、輕量化、長壽命、短周期、低成本等方向發展的關鍵制造技術。尤其在航空工業,激光加工技術極大地促進了航空制造技術的跨越發展(見圖2)。高效率激光制孔技術的成功開發及成熟應用,使在航空發動機熱端部件設計大量氣膜冷卻小孔成為可能。據報道,每臺現代高性能航空發動機的氣膜孔平均數量超過10萬個,據不完全統計,全世界每年有約10億個氣膜孔需要加工。正是發動機熱端部件氣膜孔結構設計及成功應用,最能體現發動機性能的渦輪前工作溫度可以提高400℃以上。激光制孔極具潛力的應用是在飛機機翼、垂尾、發動機殼體等表面加工密集微孔,例如,美國曾在F-16XL機翼上采用激光加工千萬數量級的50μm微孔,孔間距0.5mm,用于吸氣,以使機翼保持為層流而非湍流,風洞試驗表明可以減小飛行阻力15%。

發動機的大修、維護,對提高工作壽命、降低運行成本的作用是顯而易見的。激光熔覆技術已用于發動機葉片、壓氣機機匣、軸類零件、封嚴結構以及最能代表當今發動機結構設計先進性的整體葉盤的熔覆修復,與弧焊方式相比,效率提高至少4倍以上,而且產生更小的熱影響,性能明顯提高。

歐洲《航空航天制造》雜志一篇題為“激光加工將引起復合材料的又一次革命”的文章中為激光切割應用于飛機、發動機復合材料構件展示了美好的前景。碳纖維復合材料由于高熱傳導率等特點,機械銑削和鉆孔會造成熱損傷、碎屑、分層和刀具磨損。試驗研究結果表明,激光切割由于非接觸加工的特點,采用單模光纖激光高速切割僅產生非常小熱損傷,可以得到高質量的切口邊緣,很好地解決了機械切削帶來的問題。