一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法技术

本发明专利技术一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法属于航空发动机涡轮叶片精密加工技术领域。本发明专利技术基于超声法或工业CT获取双层壁叶片外层壁厚分布，其后在叶片表面需要开槽的位置根据壁厚数值生成激光诱导等离子体分层扫描轨迹，完成气膜冷却槽粗加工。然后采用细针管将对壁损伤填充防护材料由已加工的窄槽注入内外壁间隔仓中，待浆料干燥后采用超快激光对已粗加工的窄槽侧壁精修，最后采用化学法或机械法将耐火材料脱除。本发明专利技术简单易行，可有效防护传统超快激光直接加工造成的对壁损伤难题。成的对壁损伤难题。成的对壁损伤难题。

【技术实现步骤摘要】
一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法


[0001]本专利技术一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法属于航空发动机涡轮叶片特种加工


技术介绍

[0002]涡轮叶片的承温能力决定了燃气涡轮进口温度，进而决定了航空发动机工作效率与推重比。目前高性能航空发动机涡轮叶片服役温度一般高于高温合金基体材料的熔点，主要依靠先进高效的气冷结构设计对叶片降温。随着航空发动机持续性能需求的提升，需要不断提高热端部件的承温能力，由此发展出了带有气膜冷却槽结构的双层壁超气冷叶片。然而，该结构的内外壁间距远小于一般空心涡轮叶片对壁间距，采用传统制孔方式难以精确控制加工深度极易造成对壁损伤，亟需发展新型加工工艺解决上述复杂冷却结构的制造难题。
[0003]超快激光具有极高的加工精度与加工质量，可以满足高品质气膜冷却孔/槽侧壁无重熔层、无微裂纹、无热影响区的控制要求，已广泛应用于多种涡轮叶片气膜孔的加工。同时，超快激光对被加工材料无选择性，可进一步解决热障涂层在孔口堆积造成的缩孔、堵孔问题。然而，超快激光的空间能量分布一般呈高斯分布，其焦深难以控制在1mm以内，工程上解决超快激光加工对壁损伤的方法为填充防护材料。双层壁叶片的内外壁间距较小，传统陶瓷颗粒、聚四氟乙烯板等均难以均匀填充在如此狭小的空间内，为该技术在双层壁结构叶片冷却结构制造的应用提出了挑战。
[0004]激光诱导等离子体微加工是较为前沿的制造技术，通过超快激光激发液体介质产生等离子体，进而借助等离子体的能量蚀除被加工材料。由于等离子体在加工深度方向分布的控制一般较为精确，因此可在加工双层壁叶片外壁的同时，不击伤内层壁面，但等离子体加工仍然以热熔方式为主去除材料，不可避免地在加工表面产生热致缺陷。
[0005]随着制造技术的蓬勃发展，多种制造方法的有机融合是突破传统制造技术瓶颈的突破口，如电火花
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电解复合加工、长短脉冲激光复合加工、电火花
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激光复合加工等，对于双层壁超气冷结构的涡轮叶片，也同样需要学科间深度交叉融合，为具有狭小对壁间隙、大深宽比特征的零件加工提供技术解决方案。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的：在于针对带有复杂型腔结构的双层壁超气冷叶片，提供一种融合激光诱导等离子体微加工与超快激光加工的新型工艺方法，可以解决高品质气膜冷却槽结构的加工难题，有效防护在加工外壁时击伤内壁，从而提高双层壁超气冷叶片的加工合格率并降低生产成本。
[0007]本专利技术的技术方案：一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)标记双层壁叶片表面待加工气膜冷却槽位置，采用无损检测方法获取双层壁
叶片外层壁面厚度数值；
[0009](2)选取与双层壁叶片材质相同的试片，对激光诱导等离子体微加工参数与超快激光直接加工参数进行确认，在预先设定的参数范围内选定对试片进行不同扫描次数的加工实验，检验对应扫描次数下的槽壁轮廓形貌及热致缺陷厚度；
[0010](3)根据步骤2)对激光诱导等离子体微加工参数确认结果及步骤1)所测得双层壁叶片外层壁面厚度数值，生成用于气膜冷却槽粗加工的激光诱导等离子体扫描数控程序；
[0011](4)将叶片装夹固定在工装上后向其内腔注水，启动激光诱导等离子体扫描数控程序，完成气膜冷却槽的粗加工；
[0012](5)采用针管将耐火浆料通过粗加工的气膜冷却槽缝注入叶片内外壁间隔仓中，使耐火材料填充于叶片内外壁间隔仓及粗加工形成的气膜冷却槽缝中；
[0013](6)对填充耐火浆料的叶片进行干燥处理，对粗加工的气膜冷却槽进行定位，根据步骤2)中超快激光直接加工参数确认结果及步骤1)所测得双层壁叶片外层壁面厚度数值，生成用于气膜冷却槽精加工的超快激光直接加工数控程序，并运行该数控程序完成气膜冷却槽的精加工；
[0014](7)对步骤6)精加工后的气膜冷却槽进行尺寸及金相检验，将冷光源光纤伸入气膜冷却槽中，移动光纤逐个槽检查可视范围内的内壁表面状态及填充材料清除状态，若叶片出现内壁损伤、气膜冷却槽尺寸不符或金相检验结果不合要求，则重新设定激光诱导等离子体微加工参数与超快激光直接加工参数，重复步骤3)～步骤6)。
[0015]步骤1)中标记气膜冷却槽位置的方法为采用三坐标定位划线的方法或制作贴合叶片叶身型面轮廓的专用划线工装，采用可溶于有机溶剂的油性记号笔标记气膜冷却槽开槽加工的位置，在气膜冷却槽长度方向等距选取若干壁厚测量点，在采用超声壁厚检测法或工业CT分层扫描法获取双层壁叶片外层壁面对应测量点的厚度值后，采用酒精、丙酮等有机溶剂擦除油性标记。
[0016]步骤2)中所述激光诱导等离子体微加工参数范围如下：激光功率5W～20W，脉宽400fs～8ps，单脉冲能量：20μJ～150μJ，横向扫描速度：0.05mm/s～1mm/s，填充线间距：25μm～60μm，离焦量
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2mm～+2mm。
[0017]步骤2)中所述超快激光直接加工参数范围如下：激光功率2W～5W，脉宽400fs～8ps，重复频率：10kHz～200kHz，横向扫描速度：0.2mm/s～2mm/s，同轴吹气压力0.15MPa～0.4MPa，旁轴吹气压力0.35MPa～0.7MPa。
[0018]所述用于激光诱导等离子体扫描数控程序的生成方法如下：根据气膜冷却槽长度与宽度，生成待加工区域的二维平面投影，根据金相确认的激光诱导等离子体微加工参数及确认结果，使待加工槽长度及宽度完全包络孔壁轮廓及热致缺陷；根据双层壁叶片外层壁面厚度数值，设定扫描次数与离焦量，使加工深度d与双层壁叶片外层壁面厚度数值t之间满足关系式：0<d
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t≤0.2mm。
[0019]所述耐火浆料的各组分及其质量百分比为：硅溶胶：15～20％；渗透剂：0.5～0.8％；高岭土：1～2％；硅酸乙酯：40～45％；白刚玉粉：30～40％；酒精：2～4％。
[0020]所述步骤5)采用针管将耐火浆料通过粗加工的槽缝注入内外壁间隔仓的操作方法为：首先将配置好的耐火浆料填充于注射器内，将注射器针头埋入粗加工的槽缝内后，均匀用力按压注射器将耐火浆料注入内外壁面间隔仓中，按压注射同时针头沿槽长度方向缓
慢移动，移动速率为1～3mm/s，应避免移动速率过慢堆料或移动速率过快产生气泡，在注射完成后采用刮板刮掉叶片表面多余的浆料。
[0021]所述步骤6)中耐火浆料的干燥处理采用风干2～4小时或自干4～6小时，干燥后目视检查确认槽内填料已完全干燥且无裂纹、掉块现象。
[0022]所述步骤6)用于超快激光直接加工数控程序的生成方法如下：根据气膜冷却槽在叶片表面的投影轮廓设定激光环切扫描轨迹，并根据金相确认的超快激光直接加工参数及确认结果，使气膜冷却槽侧壁无热致缺陷，且保证气膜冷却槽加工深度d与双层壁叶片外层壁面厚度数值t之间满足关系式：0.1mm≤d
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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)标记双层壁叶片表面待加工气膜冷却槽位置，采用无损检测方法获取双层壁叶片外层壁面厚度数值；(2)选取与双层壁叶片材质相同的试片，对激光诱导等离子体微加工参数与超快激光直接加工参数进行确认，在预先设定的参数范围内选定对试片进行不同扫描次数的加工实验，检验对应扫描次数下的槽壁轮廓形貌及热致缺陷厚度；(3)根据步骤2)对激光诱导等离子体微加工参数确认结果及步骤1)所测得双层壁叶片外层壁面厚度数值，生成用于气膜冷却槽粗加工的激光诱导等离子体扫描数控程序；(4)将叶片装夹固定在工装上后向其内腔注水，启动激光诱导等离子体扫描数控程序，完成气膜冷却槽的粗加工；(5)采用针管将耐火浆料通过粗加工的气膜冷却槽缝注入叶片内外壁间隔仓中，使耐火材料填充于叶片内外壁间隔仓及粗加工形成的气膜冷却槽缝中；(6)对填充耐火浆料的叶片进行干燥处理，对粗加工的气膜冷却槽进行定位，根据步骤2)中超快激光直接加工参数确认结果及步骤1)所测得双层壁叶片外层壁面厚度数值，生成用于气膜冷却槽精加工的超快激光直接加工数控程序，并运行该数控程序完成气膜冷却槽的精加工；(7)对步骤6)精加工后的气膜冷却槽进行尺寸及金相检验，将冷光源光纤伸入气膜冷却槽中，移动光纤逐个槽检查可视范围内的内壁表面状态及填充材料清除状态，若叶片出现内壁损伤、气膜冷却槽尺寸不符或金相检验结果不合要求，则重新设定激光诱导等离子体微加工参数与超快激光直接加工参数，重复步骤3)～步骤6)。2.根据权利要求1所述的一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法，其特征在于，步骤1)中标记气膜冷却槽位置的方法为采用三坐标定位划线的方法或制作贴合叶片叶身型面轮廓的专用划线工装，采用可溶于有机溶剂的油性记号笔标记气膜冷却槽开槽加工的位置，在气膜冷却槽长度方向等距选取若干壁厚测量点，在采用超声壁厚检测法或工业CT分层扫描法获取双层壁叶片外层壁面对应测量点的厚度值后，采用酒精、丙酮等有机溶剂擦除油性标记。3.根据权利要求1所述的一种双层壁超气冷涡轮叶片气膜冷却槽超快激光加工方法，其特征在于，步骤2)中所述激光诱导等离子体微加工参数范围如下：激光功率5W～20W，脉宽400fs～8ps，单脉冲能量：20μJ～150μJ，横向扫描速度：0.05mm/s～1mm/s，填充线间距：25μm～60μm，离焦量
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2mm～+2mm。4.根据权利要求1所述的一种双层壁超...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽南，王丽斐，牛书鑫，董龙沛，郑帅，王祯，梁威，苏云，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：