中國(guó)激光能量助力航空制造
——訪國(guó)家“千人計(jì)劃”專(zhuān)家，中國(guó)科學(xué)院寧波工業(yè)技術(shù)研究院研究員張文武

本刊記者 李 丹

：您于1992年獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位，1995年獲得原航天部一院十三所精密機(jī)械專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2002年獲得美國(guó)哥倫比亞大學(xué)機(jī)械專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，2002～2012年任GE全球研發(fā)中心制造與材料技術(shù)部激光加工與測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師。2012年加入中科院并創(chuàng)建“激光與智能能量場(chǎng)制造工程團(tuán)隊(duì)”。從您的經(jīng)歷和研究領(lǐng)域來(lái)看，國(guó)外領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)的技術(shù)、工藝、設(shè)備有哪些？

張文武:激光加工是先進(jìn)制造的代表性技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛。激光發(fā)明后，美、歐、中、日都給予了充分重視，最初是因?yàn)槠錆撛诘奈淦魍?，后期則是因?yàn)榧す鈴V泛的科研價(jià)值和工業(yè)價(jià)值。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，其引領(lǐng)先進(jìn)制造的威力日益彰顯。德國(guó)、美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)在高端激光器、光學(xué)系統(tǒng)、精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及專(zhuān)用激光加工系統(tǒng)方面獲得系統(tǒng)性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成了以相干、IPG、TRUMPF、DMG等為代表的業(yè)內(nèi)巨頭。相對(duì)而言，作為制造大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，中國(guó)在中低端激光應(yīng)用方面，如打標(biāo)、切割方面已經(jīng)有了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但在高端焊接、高端去除加工和高端表面處理方面與西方有較大差距。我國(guó)已經(jīng)有一批有一定規(guī)模的激光企業(yè)，在光纖激光器等領(lǐng)域進(jìn)展迅速，激光市場(chǎng)增長(zhǎng)勢(shì)頭良好，年增長(zhǎng)率領(lǐng)先全球。

設(shè)備方面，我國(guó)在五軸聯(lián)動(dòng)激光加工系統(tǒng)和沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)方面有待加強(qiáng)。由于五軸聯(lián)動(dòng)精密加工系統(tǒng)往往涉及國(guó)防軍工，西方對(duì)我們實(shí)施禁運(yùn)。發(fā)展國(guó)產(chǎn)化五軸聯(lián)動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)化光段激光器核心元器件勢(shì)在必行。

：在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片LSP和發(fā)動(dòng)機(jī)孔加工技術(shù)的研究中，最近有哪些新的突破？還有哪些關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有得到解決？

張文武:在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片LSP領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)有數(shù)家單位將大光斑LSP技術(shù)應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)葉片處理。個(gè)人認(rèn)為，LSP技術(shù)的發(fā)展可以分為3個(gè)類(lèi)型。首先是20世紀(jì)80年代由美國(guó)發(fā)展起來(lái)的大光斑LSP技術(shù)，使用高脈沖能量激光器，脈沖能量一般在10J以上，重復(fù)頻率一般在10Hz以?xún)?nèi)。這類(lèi)激光器工作在晶體的極限狀態(tài)，光斑有不均勻尖峰，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性欠佳。此外，工藝上使用多次貼膜、側(cè)面噴水的思路。這種思路存在很難控制的邊沿效應(yīng)、貼膜界面不可靠性、因光斑不均勻引起的奇異效應(yīng)、工藝繁瑣等問(wèn)題。1999年前后，本人在哥倫比亞大學(xué)發(fā)明了微細(xì)尺度LSP技術(shù)，使用高重復(fù)頻率毫焦級(jí)激光展示出亞毫米分辨率LSP效應(yīng)，引發(fā)了微細(xì)尺度LSP研究方向，多個(gè)研究組使用0.5J以下的激光展示了LSP的各種效應(yīng)。這樣的激光系統(tǒng)光斑質(zhì)量好、成本低，高分辨率使其能夠處理更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，但工藝上仍然存在邊沿效應(yīng)和貼膜工藝繁瑣等問(wèn)題。本人2012年加入中科院后，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了新一代LSP技術(shù)，其特征是，同軸送水以避免水膜難控和濺射問(wèn)題，使用移動(dòng)式吸收層以免除貼膜的必要性。如此，新一代LSP技術(shù)將成為隨動(dòng)型表面處理技術(shù)，所用激光器為中小能量，穩(wěn)定性和重復(fù)頻率較高。使用這個(gè)技術(shù)，可以像焊接一樣，只需對(duì)表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，無(wú)需貼膜就可以進(jìn)行高重疊率的LSP了，處理速度提高10倍以上。我們已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利，目前正在申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利。這是本領(lǐng)域一個(gè)可喜的進(jìn)步，歡迎大家來(lái)合作發(fā)展。我們的原型系統(tǒng)展示出了良好的表面強(qiáng)化效應(yīng)，但是移動(dòng)吸收層技術(shù)尚待進(jìn)一步完善。

在發(fā)動(dòng)機(jī)孔加工方面，美國(guó)早在1985年就在渦輪葉片上使用了復(fù)雜異型孔技術(shù)，使得氣膜冷卻效率從0.3躍升到0.5以上。我國(guó)則由于技術(shù)原因，迄今以直圓孔為主，輔助以簡(jiǎn)單三維孔。另外，國(guó)外已經(jīng)突破了直接穿越TBC的孔加工技術(shù)，我國(guó)則主要采用電加工打孔技術(shù)，不得不采用先打金屬基體孔，再涂敷TBC，再開(kāi)孔的路子，導(dǎo)致葉片冷卻效率的一致性和效率與國(guó)外的代差。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料方面，美國(guó)GE公司已經(jīng)在推動(dòng)全CMC技術(shù)，我國(guó)這個(gè)領(lǐng)域處于跟蹤狀態(tài)，諸多問(wèn)題有待解決。CMC配合冷卻孔將進(jìn)一步提高葉片的工作溫度，這個(gè)領(lǐng)域我國(guó)需要大力關(guān)注，否則，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)與美國(guó)新的技術(shù)代差。本人在中科院的團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)初步打通單步穿越TBC的復(fù)雜異型孔加工技術(shù)，建立了自主研發(fā)的“5+2”軸宏微結(jié)合激光加工系統(tǒng)，在CMC、合金等多類(lèi)材料上展示出異型孔加工能力。此外，我們發(fā)展了水助激光加工技術(shù)，相對(duì)空氣中激光加工，熱影響大大縮小，使得包括單晶在內(nèi)的葉片孔加工成為可能。目前存在的問(wèn)題主要是孔加工的速度問(wèn)題和背傷保護(hù)問(wèn)題，我們正在全力攻關(guān)。

上述技術(shù)需要盡快商業(yè)化、工程化。我們?cè)趯幉ㄊ斜眮鰠^(qū)政府支持下，2015年成立了寧波大艾激光科技有限公司。該公司將提供商業(yè)化五軸聯(lián)動(dòng)激光孔加工系統(tǒng)、水助激光加工系統(tǒng)和激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)。

：復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位呈上升趨勢(shì)，隨之帶來(lái)的加工問(wèn)題日益突出，那么激光加工技術(shù)在復(fù)合材料去除中的應(yīng)用對(duì)加工質(zhì)量和加工效率有怎樣的影響？未來(lái)的發(fā)展方向如何？

張文武:復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，激光加工將因其加工材料的廣泛適應(yīng)性、加工的精密性而在復(fù)合材料的切邊、制孔和修復(fù)中獲得日益重要的應(yīng)用，特別是對(duì)金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。由于材料的不均勻性、纖維的高韌性，用傳統(tǒng)機(jī)械方法加工復(fù)合材料存在刀具磨損、層間撕裂、分辨率不足等缺陷。復(fù)合材料應(yīng)用中有待解決的另一大問(wèn)題是損傷后的修復(fù)問(wèn)題。如果工藝窗口選擇合理，激光去除加工可以用于精密去除各類(lèi)復(fù)合材料。當(dāng)然，激光加工復(fù)合材料必須注意熱影響問(wèn)題和各種異型材料的吸收問(wèn)題，因而需要選用合適的波長(zhǎng)。脈沖激光進(jìn)行復(fù)合材料的3D去除修復(fù)等已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外積極探索的工藝。隨著短脈沖激光功率的不斷提升，高質(zhì)量高速度的激光復(fù)合材料加工可望成為主流的工藝。

激光加工具備100μm以下的加工分辨率，對(duì)硬脆性材料的三維成型將發(fā)揮特殊作用。激光加工的熱影響需要更好控制時(shí)，可以考慮超短脈沖激光器或使用水助激光加工技術(shù)。未來(lái)應(yīng)該關(guān)注高功率短脈沖激光加工復(fù)合材料和大功率水助激光加工技術(shù)，主要目的是提高加工速度和加工深度，并控制熱損傷。未來(lái)航空航天系統(tǒng)以及民用交通系統(tǒng)將涉及大量復(fù)合材料的應(yīng)用，這是激光產(chǎn)業(yè)的一大機(jī)遇。