超快激光加工渦輪葉片氣膜冷卻孔技術(shù)研究

張曉兵，紀(jì) 亮，蔡 敏，毛 忠，李元成，張 偉

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

激光加工小孔技術(shù)是激光材料加工的主要應(yīng)用方向之一。早在20世紀(jì)70年代，隨著具有較高頻率、更高平均功率、毫秒（10-3s）脈沖寬度的燈泵浦YAG 激光器的出現(xiàn)和商品化，激光加工小孔技術(shù)開(kāi)始普遍應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和燃燒室零件的氣膜冷卻孔加工。毫秒或幾百微秒脈沖寬度的激光制孔技術(shù)至今仍在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)制造中廣泛應(yīng)用[1]。

毫秒激光的單脈沖能量可以達(dá)到幾焦耳甚至幾十焦耳，加工小孔的效率非常高，但由于與材料熱作用時(shí)間長(zhǎng)，熱影響較大，孔壁存在再鑄層，易產(chǎn)生微裂紋，且存在小孔不圓、尺寸精度及其一致性不高、孔壁不光滑、孔口毛刺多等問(wèn)題[2]。

隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了納秒、皮秒甚至飛秒脈沖寬度的固體激光器，由于激光脈沖與材料作用時(shí)間短得多，相應(yīng)熱影響顯著減小。尤其是脈沖寬度小于10ps 的超快激光，激光作用時(shí)間小于金屬材料中電子吸收光子能量并傳輸給原子晶格的時(shí)間（10-11s），晶格吸收的能量還沒(méi)能通過(guò)晶格間碰撞傳遞，激光脈沖已經(jīng)停止，理論上可以避免熱擴(kuò)散，因此，很快被用于嘗試解決毫秒激光制孔存在的問(wèn)題。隨著脈沖能量、平均功率的不斷提高，超快激光已具備加工更大深度小孔的能力和工業(yè)化應(yīng)用可接受的加工效率，因而為解決毫秒脈沖激光加工葉片氣膜冷卻孔存在的孔壁再鑄層等問(wèn)題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。

協(xié)調(diào)是指事物在發(fā)展過(guò)程中,其內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)之間相互協(xié)作、共同促進(jìn)甚至妥協(xié)讓步從而達(dá)到事物發(fā)展最優(yōu)效果的情況．這種作用通常用協(xié)調(diào)度來(lái)衡量．它代表系統(tǒng)或要素之間在發(fā)展過(guò)程中彼此和諧一致的程度．由此可見(jiàn),耦合和協(xié)調(diào)是兩個(gè)不同概念．協(xié)調(diào)是系統(tǒng)或要素間的良性的互動(dòng),而耦合則有可能是系統(tǒng)或者要素之間的相互促進(jìn),也有可能是惡性的抑制甚至破壞關(guān)系[15]．

由式(12)可以看出,不同的虛擬電阻對(duì)應(yīng)不同的線路電阻。本文結(jié)合各DG單元輸出的電流和線路電阻值,采用一致性算法[13],自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬阻抗。

本論文首先介紹了國(guó)外對(duì)葉片氣膜冷卻孔更高質(zhì)量的加工需求，采用超快激光加工小孔的研究歷程及現(xiàn)狀，隨后介紹了作者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展超快激光加工小孔的基礎(chǔ)工藝研究成果：超快激光制孔的工藝模式，與納秒、毫秒激光制孔在加工深度、效率、孔壁質(zhì)量方面的對(duì)比，其中包括疲勞性能測(cè)試；針對(duì)國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜冷卻孔設(shè)計(jì)、制造的趨勢(shì)，進(jìn)一步介紹了采用超快激光在帶熱障涂層葉片、雙層壁葉片、陶瓷基復(fù)材上加工氣膜冷卻孔，包括加工異型孔的工藝驗(yàn)證結(jié)果。研究結(jié)果充分證明了超快激光高質(zhì)量加工葉片氣膜冷卻孔的可行性，疲勞性能試驗(yàn)表明，超快激光制孔明顯好于納秒、毫秒脈沖激光。

國(guó)外超快激光加工氣膜冷卻孔研究歷程與現(xiàn)狀

激光脈沖能量低導(dǎo)致的另外一個(gè)問(wèn)題是同樣深度條件下超快激光加工小孔的錐度較毫秒激光明顯偏大，如圖11（a）所示。由于葉片鑄造壁厚存在偏差，較大的錐度使得超快激光加工葉片氣膜冷卻孔的孔徑精度不易保證，如圖11（b）所示?？咨疃龋ㄈ~片壁厚）比預(yù)計(jì)的小，將導(dǎo)致孔徑偏大，相反則孔徑偏小。為了解決這一問(wèn)題，采用了激光傾斜聚焦旋轉(zhuǎn)填充制孔的方法，其原理如圖12所示，在旋轉(zhuǎn)加工小孔的過(guò)程中，聚焦后的激光束與孔軸線傾斜一個(gè)固定的角度，以補(bǔ)償激光加工小孔的錐度效應(yīng)。

21世紀(jì)初，美國(guó)Michigan 大學(xué)Feng等[4]針對(duì)葉片氣膜冷卻孔加工，開(kāi)展了飛秒激光在單晶鎳基高溫合金上加工小孔的研究，驗(yàn)證了飛秒激光制孔可以獲得沒(méi)有組織缺陷的小孔，如圖1所示。針對(duì)葉片先制備熱障涂層后激光高質(zhì)量加工氣膜冷卻孔的需求，也開(kāi)展了飛秒激光在電子束物理氣相沉積（EB-PVD）制備熱障涂層的單晶高溫合金上加工小孔的試驗(yàn)，結(jié)果表明，不但孔壁無(wú)再鑄層，而且涂層本身無(wú)分層、開(kāi)裂和明顯崩塊等熱致缺陷[5]，如圖2所示。

圖1 單晶高溫合金飛秒激光加工微孔Fig.1 Fs laser making micro hole in single crystal superalloy

圖2 飛秒激光在表面制備熱障涂層的單晶高溫合金加工小孔Fig.2 Fs laser making hole in single crystal superalloy with thermal barrier coatings

美國(guó)Mould 激光與光子中心和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用皮秒激光直接在帶熱障涂層的渦輪葉片上加工異型氣膜冷卻孔的技術(shù)，避免了納秒、毫秒長(zhǎng)脈沖激光制孔或納秒激光、電火花二次加工方式導(dǎo)致的孔壁再鑄層、熱障涂層崩裂等缺陷，而且具有更高的加工效率[6]。

德國(guó)漢諾威激光中心在20世紀(jì)也應(yīng)用納秒、皮秒和飛秒激光在金屬材料上開(kāi)展了沖擊加工小孔研究，結(jié)果表明，飛秒激光沖擊加工小孔獲得孔壁無(wú)再鑄層小孔需要的激光能量密度稍高于材料的去除閾值，但效率太低，尤其是加工更大深徑比小孔[7]。提高能量密度，圖3（a）所示為用脈沖寬度500fs、脈沖能量密度390J/cm2（遠(yuǎn)高于不銹鋼去除閾值）的激光在不銹鋼上沖擊加工1mm 深小孔的顯微照片，孔口存在嚴(yán)重的熔化物重凝堆積現(xiàn)象；脈沖寬度減小至125fs，脈沖能量密度減小至330J/cm2，由于更高的功率密度，飛秒激光的非線性效應(yīng)導(dǎo)致加工盲孔的孔形極不規(guī)則，如圖3（b）所示[8]。

圖3 飛秒激光在1mm 厚不銹鋼上沖擊加工小孔顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of holes made by fs laser in 1mm thick stainless steel

實(shí)現(xiàn)激光傾斜聚焦加工無(wú)錐度甚至負(fù)錐度小孔，常用3 光楔或4 光楔旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整光楔對(duì)的間距和周向相對(duì)角度可以分別對(duì)激光聚焦后的傾斜角度、旋轉(zhuǎn)半徑進(jìn)行調(diào)整[13]。該裝置同樣可以實(shí)現(xiàn)以類似多個(gè)同心圓的路徑填充方式加工圓孔。

圖4 皮秒激光填充加工小孔顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographs of a hole made by ps laser in filling mode

基于上述研究基礎(chǔ)，德國(guó)LUMEAR公司在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上開(kāi)展了皮秒激光加工單晶渦輪工作葉片氣膜冷卻孔驗(yàn)證[9]，如圖5所示，可見(jiàn)孔形、孔壁質(zhì)量非常高，孔壁異常光滑。該試驗(yàn)應(yīng)用的激光脈沖寬度為10ps，葉片壁厚為1mm，孔徑為400μm，傾斜角度30°。

圖5 皮秒激光加工單晶葉片氣膜冷卻孔Fig.5 Making holes by ps laser in single crystal turbine blade

2014年，德國(guó)科研機(jī)構(gòu)針對(duì)葉片更大深徑比氣膜冷卻孔高質(zhì)量加工，采用75W、237kHz 的皮秒激光以振鏡掃描填充方式加工3mm 深小孔，加工時(shí)間為146s，如圖 6[10]所示，孔壁無(wú)再鑄層和熱影響區(qū)，但小孔存在明顯錐度。由于與毫秒激光加工相比，皮秒激光加工效率仍較低，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了毫秒激光+皮秒激光組合加工大深徑比小孔，即采用毫秒激光首先沖擊加工初始通孔，再采用皮秒激光填充方式去除孔壁再鑄層，采用振鏡掃描的填充途徑（圖7），以期在更短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)皮秒激光僅處理初始孔孔壁，得到無(wú)再鑄層小孔[11]。圖8 為采用150W、1.43MHz皮秒激光處理毫秒激光初始加工小孔的結(jié)果（初始孔深度為3mm，再鑄層厚度40μm 左右），可見(jiàn)在不超過(guò)12.5s 的有限時(shí)間內(nèi)，皮秒激光處理到的初始孔深度未超過(guò)2mm，而且仍存在5μm 左右的再鑄層[11]。

圖6 75W 皮秒激光在3mm 厚不銹鋼上加工小孔的顯微分析照片F(xiàn)ig.6 Micrographs of a hole made by 75W ps laser in 3mm thick stainless steel

圖7 皮秒激光處理初始孔填充路徑示意圖Fig.7 Diagram of ps laser processing paths in filling mode at second step of drilling

圖8 不同時(shí)間處理初始孔的有效深度與再鑄層厚度測(cè)量值Fig.8 Measurement of recast layer thickness and reached depth in dependence of processing time

可見(jiàn)，平均功率與能量量級(jí)差異不大的條件下，皮秒激光即便能量不足1mJ，其加工效率、固定時(shí)間加工的深度、孔壁質(zhì)量均明顯高于納秒激光；但也由于脈沖能量太低，導(dǎo)致加工效率、加工深度遠(yuǎn)不如毫秒激光。

超快激光精密加工類似于氣膜冷卻孔的較大深徑比小孔最典型且影響較大的應(yīng)用是加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴小孔，圖9 為使用德國(guó)Lumera 公司激光器加工的汽車噴油嘴小孔。

圖9 汽車噴油嘴及其皮秒激光加工小孔的顯微照片F(xiàn)ig.9 Pictures of holes made by ps laser in fuel injector of automobile

圖14 為超快激光在同軸輔助吹氣條件下利用掃描振鏡加工直孔與斜孔的基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)結(jié)果，均實(shí)現(xiàn)了小孔孔壁無(wú)再鑄層。

當(dāng)前，我國(guó)事業(yè)單位的分類有三種，即全額、差額、自收自支。其中，屬于全額預(yù)算管理的事業(yè)單位的經(jīng)費(fèi)全部來(lái)自國(guó)家預(yù)算撥款；屬于差額預(yù)算管理的事業(yè)單位，若經(jīng)費(fèi)支出大于收入，則差額部分由國(guó)家預(yù)算補(bǔ)助，否則將多余收入上交國(guó)家財(cái)政；自收自支型事業(yè)單位的經(jīng)費(fèi)主要依靠自給自足。經(jīng)費(fèi)管控一直是事業(yè)單位日常管理的一項(xiàng)重點(diǎn)問(wèn)題。倘若經(jīng)費(fèi)管控不力，不僅可能會(huì)置事業(yè)單位于運(yùn)營(yíng)困難、資金鏈斷裂的境地，還容易造成國(guó)有資產(chǎn)流失，給事業(yè)單位造成不可估量的損失。因此，加強(qiáng)事業(yè)單位經(jīng)費(fèi)管控具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

首先將一位需要確認(rèn)作者身份的電子郵件作為待確認(rèn)郵件，然后研究該作者之前所寫(xiě)的電子郵件的寫(xiě)作風(fēng)格。將待確認(rèn)郵件與該作者之前所寫(xiě)的其它的電子郵件的寫(xiě)作風(fēng)格進(jìn)行比較，研究?jī)烧咧g的異同點(diǎn)，從而解決作者識(shí)別的問(wèn)題。

超快激光加工葉片氣膜冷卻孔技術(shù)研究

1 超快激光加工小孔方法

由于超快激光脈沖能量非常低（不足1mJ），試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用毫秒激光制孔常用的旋切制孔（圖10（a））或沖擊制孔方式時(shí)，超快激光可加工小孔的深度有限而且質(zhì)量不高，這與國(guó)外的研究結(jié)果一致。因此，在研究中主要采用圖10（b）所示的填充加工方式，加工路徑一般設(shè)置為多個(gè)不同半徑、相同間距的同心圓，加工過(guò)程需要同軸輔助吹氣。

圖10 旋切法與填充法加工小孔示意圖Fig.10 Schematic diagram of small hole machining by rotary cutting method and filling method

美國(guó)GE 公司研發(fā)中心在20世紀(jì)90年代末就已開(kāi)始超快激光加工氣膜冷卻孔的基礎(chǔ)研究，對(duì)毫秒激光、百納秒激光、百皮秒激光以及百飛秒激光加工小孔的機(jī)制及其質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了更短的激光脈沖寬度可以加工出更好質(zhì)量的小孔[3]。

圖11 超快激光加工小孔錐度狀況與錐度對(duì)加工孔徑精度的影響Fig.11 A hole with apparent taper made by ultrafast laser and diagram of taper affecting hole’s aperture tolerance

圖12 激光傾斜聚焦旋轉(zhuǎn)加工無(wú)錐度孔示意圖Fig.12 Diagram of making zero taper holes by tilted focused laser in trepanning mode

為了解決更高能量密度超快激光沖擊加工較大深徑比小孔仍然存在的孔壁有再鑄層、加工效率低的問(wèn)題，有效的方法是采用填充加工小孔方式。此外，脈沖寬度<10ps 的皮秒激光由于仍然具有非熱熔性去除特性，而且商業(yè)化皮秒激光器具有更大的脈沖能量，非線性效應(yīng)也小得多，因此，采用數(shù)個(gè)皮秒脈沖寬度激光加工小孔反而具有更高的去除效率，圖4（a）和（b）所示為5ps 激光填充方式加工0.5mm 深小孔的入口和出口形貌[8]，孔的質(zhì)量得到明顯改善。

刮泥裝置包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、牽引繩和刮泥機(jī)構(gòu).驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)牽引繩拖動(dòng)刮泥機(jī)構(gòu),在調(diào)蓄池蓄水狀態(tài)下無(wú)擾動(dòng)地將池底沉積的淤泥匯集到集泥槽;牽引繩和刮泥機(jī)構(gòu)材質(zhì)選用304不銹鋼,刮泥板選用耐磨樹(shù)脂材料,以利于減小池底廊道和刮泥板的磨損.池中傳動(dòng)部分滾輪均采用高強(qiáng)度尼龍材料.根據(jù)一次降雨匯集淤泥厚度30 cm淤泥厚度,設(shè)置刮泥板高度1.2 m,刮泥板寬度與池底廊道寬度一致,刮泥板寬度5 m.刮泥速度2 m/min.驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu),采用摩擦離合器結(jié)合形式,由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)刮泥機(jī)構(gòu)在調(diào)蓄池中循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),將池底淤泥匯集到集泥槽.

2 超快激光加工葉片氣膜冷卻孔工藝研究與初步應(yīng)用驗(yàn)證

表2 為用表1 中不同脈沖寬度激光同軸輔助吹氣加工2mm 深、孔徑0.4mm 小孔的效率、深度、質(zhì)量的對(duì)比，其中納秒與皮秒激光制孔均采用掃描振鏡生成路徑的填充加工方式，毫秒激光則采用傳統(tǒng)的旋切加工。

圖13 5 軸數(shù)控皮秒激光加工裝置示意圖Fig.13 Diagram of 5-axis CNC ps laser processing system

應(yīng)用該裝置與實(shí)驗(yàn)室既有的毫秒、納秒脈沖激光加工裝置進(jìn)行了不同脈沖寬度激光制孔試驗(yàn)，表1所示為試驗(yàn)中應(yīng)用的3 種脈沖寬度激光典型參數(shù)的對(duì)比。

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人面對(duì)柔性制造現(xiàn)場(chǎng)所呈現(xiàn)的定位漂移問(wèn)題可以采用高精度外部觀測(cè)設(shè)備對(duì)機(jī)器人的末端工具進(jìn)行精確定位的方式，來(lái)展開(kāi)對(duì)定位漂移的有效腳掌。如利用光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器位置在工作環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的漂移的校對(duì)。當(dāng)前主要采用的測(cè)量其主要有激光跟蹤儀、IGPS等方式進(jìn)行測(cè)量，采集到多維的數(shù)據(jù)信息，由此展開(kāi)評(píng)估補(bǔ)償。

可見(jiàn)毫秒激光器可以實(shí)現(xiàn)幾十焦耳的脈沖能量輸出，而納秒激光僅幾個(gè)毫焦，皮秒激光甚至不足1mJ，但由于皮秒激光脈沖寬度僅2～3ps，脈沖峰值功率遠(yuǎn)高于毫秒與納秒激光，已接近GW（109W），聚焦后功率密度很容易達(dá)到1012W/cm2，而毫秒、納秒激光的功率密度通常為105～109W/cm2。

圖13 為開(kāi)展超快激光加工葉片氣膜冷卻孔工藝試驗(yàn)及技術(shù)驗(yàn)證的裝置示意圖。所用超快激光器的激光波長(zhǎng)為1030nm，脈沖寬度2.1ps，最大脈沖能量400μJ，平均功率最大30W，相應(yīng)頻率為75kHz。安裝于Z軸滑板的二維掃描振鏡形成填充加工路徑，配套的聚焦鏡焦距為150mm，可傾斜、旋轉(zhuǎn)的二維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)安裝于X-Y十字滑臺(tái)，5 軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的配置滿足了葉片空間分布?xì)饽だ鋮s孔的加工需求。為了減小加工小孔的錐度，該裝置配置了1套3 光楔旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)，聚焦后可傾斜的最大角度為4°，可以實(shí)現(xiàn)激光傾斜聚焦旋轉(zhuǎn)填充制孔。

表1 毫秒、納秒、皮秒激光制孔的典型參數(shù)Table 1 Typical parameters of ms,ns and ps laser used in drilling

表2 毫秒、納秒、皮秒激光加工小孔基本性能的對(duì)比Table 2 Comparison of processing performance of ms,ns and ps laser drilling

盡管國(guó)外已關(guān)注并研究了超快激光加工葉片氣膜冷卻孔的可行性和適用性，但至今沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道。

由于傳統(tǒng)的毫秒、納秒長(zhǎng)脈沖激光制孔孔形差、孔壁粗糙、精度低，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴小孔以往主要采用電火花加工，甚至機(jī)械鉆孔。汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高要求噴油嘴小孔孔徑更?。?0～100μm），相應(yīng)深徑比需要達(dá)到20∶1，精度更高（孔徑公差±1.5μm），錐度小于0.5°[12]，通過(guò)傾斜聚焦旋轉(zhuǎn)填充加工，超快激光可以加工無(wú)錐度甚至倒錐度小孔，很好地滿足了上述要求，小孔精度、表面質(zhì)量、形狀得到改善，與電火花加工相比，燃油效率提高了2%～ 4%，而且加工效率也得到明顯提高，因此，迅速得到商業(yè)化應(yīng)用。

他完事后，又喝了一杯水，然后若無(wú)其事地出去了。她呆呆地看著他走出門(mén)去，走出小院，這時(shí)她才回過(guò)神來(lái)，從夢(mèng)幻世界回到現(xiàn)實(shí)生活中來(lái)，全身的神經(jīng)都緊繃著，一下子嚇得要哭了，羞辱得想立即逃之夭夭。她開(kāi)始極度地厭惡自己，洗了個(gè)澡，用一塊雕牌香皂把身體上上下下擦了一遍，用清水仔仔細(xì)細(xì)地沖洗了一次。隨后，她離開(kāi)了，走在山坡上，風(fēng)不停地刮著，天空開(kāi)始出現(xiàn)急遽飄飛的一片片白云，她瞇起眼睛茫然地望著天空，望著浮云，眼神中有幾分憂郁，幾分游離，她將身子縮緊成了一團(tuán)，在呼呼的風(fēng)聲中，好像畏涼一樣。

圖14 超快激光加工小孔顯微照片F(xiàn)ig.14 Micrographs of holes made by ultrafast laser

圖15 為不同脈沖寬度激光垂直加工小孔的DD6 單晶高溫合金試樣高溫低周疲勞壽命結(jié)果的對(duì)比，其中試驗(yàn)溫度900℃，最大應(yīng)力640MPa，采用應(yīng)力控制模式加載，波形為三角波，頻率3Hz。

圖15 不同脈沖寬度激光加工小孔DD6 單晶高溫合金試樣高溫低周疲勞壽命結(jié)果Fig.15 Comparison of high temperature low cycle fatigue life of single and multi-hole specimens of single crystal superalloy drilled by lasers of different pulse width

可見(jiàn)，在640MPa 應(yīng)力水平下，毫秒、納秒、超快激光制孔的DD6 單晶高溫合金單孔試樣的平均疲勞壽命差異不大，總的趨勢(shì)是脈沖寬度越窄，平均壽命更高一些；對(duì)于多孔試樣，規(guī)律一致，但脈沖寬度對(duì)疲勞壽命影響更大，相對(duì)毫秒激光（平均壽命3.1h），納秒激光制孔試樣（平均壽命4.98h）疲勞壽命平均提升60%，超快激光制孔試樣（平均壽命12.56h）疲勞壽命是毫秒激光的4.05倍，是納秒激光的2.52 倍。

圖16（a）和（b）分別為DD6單晶高溫合金平板光滑試樣與超快激光加工的單孔試樣應(yīng)力-壽命關(guān)系曲線（S-N線），光滑試樣測(cè)試溫度為980℃，單孔試樣則分別測(cè)試了900℃、980℃、1050℃下的高周疲勞力學(xué)性能，顯然溫度增加，單孔試樣疲勞性能下降，在980℃條件下，超快激光加工單孔的DD6 單晶試樣疲勞極限強(qiáng)度約為400MPa，達(dá)到了光滑試樣疲勞極限（421MPa）的95%。

圖16 單晶高溫合金平板光滑試樣與單孔試樣高溫高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Results of high temperature high cycle fatigue life of specimens of single crystal superalloy without hole and with single hole

由于葉片上氣膜冷卻孔深度范圍通常為1～6mm，開(kāi)展了超快激光加工不同深度、孔徑0.4mm 小孔的效率對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖17所示，可見(jiàn)，加工1.5mm 深小孔需要20s，2mm 深為30s，4mm 則增加至2min，加工時(shí)間與深度呈非線性關(guān)系，隨著深度的增加，尤其是超過(guò)3mm，加工效率下降幅度明顯增大。加工6mm深小孔需要偏焦-3mm，加工10min才得到0.4mm 的出口孔徑，且小孔呈明顯錐度，見(jiàn)圖18（a）；為減小錐度，采用了試驗(yàn)裝置配置的三光楔光學(xué)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以傾斜聚焦填充方式加工小孔，實(shí)現(xiàn)加工深徑比超過(guò)20∶1的4mm 深小孔，明顯改善了孔的形狀，錐度顯著減小，見(jiàn)圖18（b）。

圖17 加工不同深度0.4mm 孔徑小孔的加工時(shí)間Fig.17 Relationship between processing time and depth of 0.4mm aperture hole

圖18 加工6mm 與4mm 深小孔縱截面顯微照片F(xiàn)ig.18 Micrographs of longitudinal section of 6mm depth and 4mm depth holes

提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力和功率的有效措施是提高渦輪進(jìn)口溫度，而提高渦輪進(jìn)口溫度，需要提高高壓渦輪最核心部件——高壓渦輪葉片的承溫能力。相應(yīng)的措施包括將葉片上傳統(tǒng)的圓柱形氣膜冷卻孔設(shè)計(jì)為異型孔，葉片采用雙層壁結(jié)構(gòu)，在葉片表面制備熱障涂層，甚至葉片直接采用具有更高耐高溫性能的陶瓷基復(fù)合材料。針對(duì)上述發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展了相應(yīng)的基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)與初步驗(yàn)證。圖19～21 分別展示了超快激光在已制備熱障涂層的葉片上采用填充方式加工異型氣膜冷卻孔、陶瓷基復(fù)材上加工小孔以及雙層壁葉片加工氣膜冷卻孔的試驗(yàn)結(jié)果。

圖19（a）為先涂層后加工異型氣膜冷卻孔的帶熱障涂層渦輪工作葉片，圖19（b）為異型孔孔口形貌顯微照片，可見(jiàn)陶瓷層與黏結(jié)層界限清晰，表面無(wú)冷凝飛濺物，質(zhì)量非常好。

旅游產(chǎn)業(yè)被稱為二十一世紀(jì)的無(wú)煙產(chǎn)業(yè)，我國(guó)旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展對(duì)旅游行業(yè)從業(yè)人員的素質(zhì)提出了更高、更全面的要求。目前我院的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地針對(duì)旅游外語(yǔ)類學(xué)生的有旅苑旅行社和留學(xué)生公寓。旅苑旅行社由旅行社管理系負(fù)責(zé)，主要培養(yǎng)導(dǎo)游服務(wù)方向的學(xué)生；留學(xué)生公寓由旅游外語(yǔ)系負(fù)責(zé)，主要培養(yǎng)酒店服務(wù)方向的學(xué)生。本課題以留學(xué)生公寓為例，探索建設(shè)“產(chǎn)學(xué)結(jié)合，自主運(yùn)營(yíng)”的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，做到“統(tǒng)一管理，部門(mén)負(fù)責(zé)，工學(xué)結(jié)合，長(zhǎng)短交替”。

圖19 超快激光在帶熱障涂層的葉片上加工異型孔的工藝驗(yàn)證結(jié)果Fig.19 Results of shaped holes made by ultrafast laser in turbine blade with thermal barrier coatings

圖20 為超快激光在碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料（CMC）上加工小孔的顯微照片。由圖20（a）可見(jiàn)，入口處沒(méi)有明顯組織損傷，表面也無(wú)飛濺物，且孔的圓整度非常好；由圖20（b）[14]和（c）可見(jiàn)孔存在明顯錐度，內(nèi)壁光滑、無(wú)燒蝕，有少量細(xì)小白色顆粒。圖19 和圖20 均清晰地展示了超快激光無(wú)熱影響的加工特性，陶瓷類硬脆材料的加工去除面與母材幾乎沒(méi)有差異。

圖20 超快激光在CMC 加工小孔顯微照片F(xiàn)ig.20 Micrographs of holes made by ultrafast laser in CMC

激光加工葉片氣膜冷卻孔面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題是如何采取有效的防護(hù)措施避免激光制孔對(duì)葉片內(nèi)腔對(duì)面壁的損傷，如圖21（a）所示，由于雙層壁葉片內(nèi)腔更狹小，間隙僅0.6mm 左右，因此內(nèi)腔防護(hù)難度更大。圖21（b）為采用葉片內(nèi)腔填入防護(hù)材料并結(jié)合工藝調(diào)控在雙層壁葉片上加工小孔，成功實(shí)現(xiàn)了葉片的內(nèi)腔對(duì)面壁無(wú)損傷。

圖21 雙層壁葉片激光擊傷對(duì)面壁示意圖與超快激光無(wú)對(duì)壁損傷制孔顯微照片F(xiàn)ig.21 Diagram of the opposite wall damaged by laser and micrograph of hole without damage made by ultra-fast laser of double wall blade

結(jié)論

隨著輸出能量與功率的提高，超快激光加工較大深徑比小孔已成為可能，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果均表明，該技術(shù)加工葉片氣膜冷卻孔，包括異型孔，已具備可行性，國(guó)內(nèi)甚至已在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研制中進(jìn)行了小批量試制。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以獲得孔壁幾乎無(wú)再鑄層的小孔，且針對(duì)表面有熱障涂層的葉片，不但可以實(shí)現(xiàn)先涂層后制孔，而且可以保證涂層無(wú)分層、開(kāi)裂、明顯崩塊等缺陷。但制約其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題在于加工效率不高，尚沒(méi)有充分的數(shù)據(jù)表明采用超快激光加工葉片氣膜冷卻孔具有相較其他方法更好的性價(jià)比。因此，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)成為葉片氣膜冷卻孔加工主流工藝，應(yīng)在以下3 個(gè)方面開(kāi)展更進(jìn)一步的研究與驗(yàn)證工作。

（1）研究進(jìn)一步提高超快激光加工葉片氣膜冷卻孔效率有效而實(shí)用的技術(shù)途徑。

在中國(guó)知網(wǎng)檢索國(guó)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)院經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析的重點(diǎn)文獻(xiàn)[5-7, 14, 17-24, 29, 32-48]，并對(duì)其使用的投入和產(chǎn)出指標(biāo)進(jìn)行歸納(見(jiàn)表1)。投入指標(biāo)中，提及率較高的指標(biāo)是人力部分為職工總?cè)藬?shù)、在職職工數(shù)與衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)；財(cái)力部分為業(yè)務(wù)支出；物力部分為固定資產(chǎn)總額、實(shí)際開(kāi)放床位數(shù)與醫(yī)療機(jī)構(gòu)床位數(shù)。產(chǎn)出指標(biāo)中，提及率較高的指標(biāo)在數(shù)量部分為出院人次數(shù)、門(mén)急診人次數(shù)與業(yè)務(wù)總收入；效率部分為病床使用率與平均住院日。

例如，在保障孔壁質(zhì)量的前提下，研究更高平均功率與脈沖能量的超快激光對(duì)提高小孔加工效率的作用；研究更高去除效率條件下，內(nèi)腔防護(hù)技術(shù)的有效性、可靠性以及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

（2）研究不同制孔工藝對(duì)單晶高溫合金高、低周疲勞等性能影響并開(kāi)展葉片性能的綜合評(píng)估。

心里正念叨，咚的一聲，我腦袋撞在了墻上。沒(méi)等我反應(yīng)過(guò)來(lái)，就聽(tīng)見(jiàn)嗷的一聲，一個(gè)黑影趔趄了一下，蹬蹬蹬蹬跑遠(yuǎn)了。還好，原來(lái)我撞的不是墻，是人。

重點(diǎn)針對(duì)電加工、超快激光加工小孔，包括超快激光本身的不同加工工藝，如皮秒、飛秒激光加工及其不同的加工方式，基于標(biāo)準(zhǔn)試樣開(kāi)展系統(tǒng)的疲勞性能試驗(yàn)；研究超快激光加工小孔的結(jié)構(gòu)特征與表面完整性對(duì)單晶高溫合金疲勞性能影響規(guī)律，并有針對(duì)性地進(jìn)行工藝改進(jìn)；系統(tǒng)開(kāi)展超快激光加工氣膜冷卻孔葉片的性能考核，包括綜合冷效、振動(dòng)疲勞、熱沖擊試驗(yàn)，或直接裝機(jī)驗(yàn)證。

（3）研究開(kāi)發(fā)超快激光加工葉片氣膜冷卻孔智能化的專用加工裝備。

超快激光加工小孔的優(yōu)勢(shì)在于工藝參數(shù)、試樣狀態(tài)確定下加工結(jié)果的精確性，但這同時(shí)也是劣勢(shì)。由于脈沖能量非常低，其加工結(jié)果對(duì)焦點(diǎn)位置、深度變化等較敏感，如果工藝參數(shù)變化或不穩(wěn)定，或者零件狀態(tài)存在差異，加工一致性不易保證。因此，加工裝備的自感知、自測(cè)量并能進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整尤為重要。例如，加工裝備如具備小孔穿透識(shí)別，孔尺寸動(dòng)態(tài)或靜態(tài)檢測(cè)等功能，將有利于及時(shí)調(diào)控工藝參數(shù)，確保加工小孔的精度與內(nèi)腔防護(hù)的可靠性。