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中国解决飞秒激光钻孔世界性难题,发动机技术再获突破

时间:2017-09-21 19:51:02        来源:

  长久以来,我国发动机制造技术始终是制约航空航天事业发展的瓶颈,产品的质量不过关来自两方面:一是材料技术;二是材料加工技术。在前面的文章里,笔者提到目前我国已将金属铼运用到发动机叶片制造里,具备了加工出高耐热性、低蠕变性的叶片材料基础。而今天要介绍的这一技术则可以破解材料制造难题,这就是飞秒激光钻孔技术。

  

  我国掌握该消息来源是著名的数据加工中心一则新闻透露的,该新闻称我国的数控激光切割成套设备已经进入了高速量产期,而这一设备恰好是实现飞秒激光钻孔和发动机叶片加工的主要手段。所谓飞秒激光钻孔,即使用频率非常高的激光对材料进行钻孔,飞秒是时间单位,1飞秒等于一千万亿分之一秒,相对于传统激光加工设备,飞秒激光由于脉冲时间极短,被加工物体不会被加热,特别适合加工30微米以下的高精度小孔。

  飞秒激光作用于金属和非金属加工时原理完全不同,金属表面存在大量的自由电子,当激光照射金属表面时,自由电子会瞬间被加热,数十飞秒内让电子电子发生碰撞,自由电子将能量传道给晶格,形成开孔。但由于自由电子碰撞的能量要比离子小的多,所以传导能量需要较长时间,但目前该难题已被我国科学家攻克。

  

  在飞秒激光作用于非金属材料时,由于材料表面自由电子较少,激光照射时先要使得材料表面电离,进而产生自由电子,剩下的环节与金属材料一致。飞秒激光加工微孔时,在初级阶段先形成一个小坑,随着脉冲数量的增多,坑深度不断增加,但随着深度的增加,坑底的碎屑飞出的难度也越来越大,导致激光向底部传播的能量越来越少,最终达到深度不可增加的饱和状态,即打完一个微孔。

  而在航空航天领域,燃气涡轮是发动机的三大关键部件之首,其性能直接决定了发动机的好坏。然而航空发动机的涡轮叶片工作温度至少为1400摄氏度,因此必须对高温部件,尤其是叶片必须使用精确的冷却技术。

  

  叶片冷却一般通过大量不同直径的气膜孔来实现,孔径约为100~700微米,且空间分布复杂,多为斜孔,角度为15°到90°不等,为了提高冷却效率,开孔形状往往成扇形或者矩形,这给加工带来极大的难度。

目前主流的方法是高速电火花,但工具电极制造极为困难,加工好的部件易磨损,加工速度慢,排除孔内的加工屑比较困难,不易散热,根本不适合大批量生产。