CN102248306A

CN102248306A - 一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法

Info

Publication number: CN102248306A
Application number: CN2011100832536A
Authority: CN
Inventors: 周明; 狄建科
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明提供了一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，包括如下步骤：A、将燃气轮机叶片表面擦拭干净，涂上保护胶，并填充高分子材料或者聚合物材料保护内腔，最后固定在特定夹具上；B、控制系统将根据红外探测仪扫描到叶片表面的扫描信号，对脉冲激光源控制，实现叶片表面群孔的加工制造；C、用特定量具针规作相应孔形测验，保证每个孔径大小符合设计要求；D、对燃气轮机叶片做气流检测和热成像检测，此为验证保证气流检测通过和孔径边裂纹最小。本发明可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的材料；可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

Description

一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法

技术领域

本发明属于激光微加工技术、航空航天制造、发电站装备、军用船业、石化制造和汽车领域，特别涉及一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法。

背景技术

燃气轮机、单晶叶片广泛应用于航空推进、海军军舰、发电站、石化行业和各种工业用途。其设计和发展的目标是获得高性能、长寿命和高可靠性产品。提高热效率是设计者的首要目标，研究表明：提高燃气轮机透平进口温度是提高热效率最有效的途径之一。随着材料服役温度的快速升高，燃气轮机透平进口温度已经远远超过了金属材料所能承受的极限，因此，对燃气轮机透平高温部件，尤其是透平叶片必须采用冷却技术，保证叶片本身温度低于材料的许可值而安全工作。目前国外通用做法就是根据燃烧室和涡轮机的结构特点，在内腔内部含有冷却助燃空气的锥形流道，同时要求设计不规则叶片表面排列不同直径的气膜孔，这些大量气膜孔沿叶脊方向线形排列，孔径非常小，通常为0.1mm～1mm范围之间，这些气膜孔位置和尺寸根据气体流动方向严格设计，在复杂型面的零件上，空间分布位置相当复杂，每排气膜孔的轴线与表面夹角很小，形成斜孔，而各排气膜孔的角度多变，孔的位置精度要求高，通常在0.1mm以内，这些严格控制孔径尺寸和位置精度的气膜设计保证冷却空气的介入，结合轴向和横向放射的孔径排列，使整个系统具有非常好的热平衡。

而传统的叶片钻孔方法是使用机械刀头或电火花加工，机械刀头钻孔这种方法容易造成材料基底损伤，裂纹也较大，效率较慢，刀头也是非常贵而易磨损，需定期更换；电火花加工，虽较机械刀轮钻孔精度高些，但是在实际加工中会对叶片表面特意溅射的陶瓷材料产生破坏，导致废片，导致叶片的使用寿命缩短。而且这些钻孔工序中往往伴随着切割辅助剂，液态辅助剂的黏附问题，切割切面比较粗糙，存在微细的裂纹，存在着局部应力，切割后还必须进行清洗、抛光等后处理。

因此，现有工艺已经不能提高现有产品高质量，严重影响产品的实用效果和使用寿命。

发明内容

为解决上述背景技术中所提出的现有技术领域存在的燃气轮机叶片的生产加工技术生产出的产品质量低的问题，本发明提供以下技术方案：

一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，包括如下步骤：

A、将燃气轮机叶片表面擦拭干净，涂上一层保护胶，间隔1小时后，再涂上一层保护胶，待胶稳定固化之后，填充保护内腔的高分子材料或者聚合物材料，最后固定在特定夹具上；

B、控制系统将根据红外探测仪扫描到叶片表面轮廓，并能按照叶片表面轮廓形状，反馈到操作控制系统中，操作控制系统依据扫描来的图形信息转化为数字信号，对高平均功率、高重复频率和短脉宽的脉冲激光源实现控制，并使其激光聚焦焦点在光轴上下升降定位，最终实现叶片表面群孔的加工制造；

C、用特定量具针规作相应孔形测验，保证每个孔径大小符合设计要求；

D、对燃气轮机的叶片做气流检测和热成像检测，此为验证保证气流检测通过和孔径边裂纹最小。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A中内腔里面填充高分子材料或者聚合物材料为特氟隆材料。

作为本发明的另一种优选方案，所述步骤B中，采用的激光源为高功率的远红外波长激光器、红外激光器、可见光波段激光器、紫外激光器或者深紫外激光器；激光源脉宽为飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器或者连续激光器；重复频率大于50KHz。

作为本发明的再一种优选方案，所述步骤B中的激光器的光束工作时高速旋转。

本发明有如下优点：

1、加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料；

2、非接触加工，工件不承受大的作用力，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工；

3、微细加工，工件表面质量高，加工余量都是微米、纳米级别进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面，可满足后期叶片表面极小孔径的加工；

4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好；

5、对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响，对于复杂的曲面叶片背部和脊部可高效率、高精度实现群孔加工。

短脉冲激光短于绝大多数化学和物理反应，比如机械和热力学的特征时间等，峰值功率极高，由于超短激光脉冲与物质相互中独特的多光子吸收过程，其加工精度可以突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工和相应微电子、纳电子、微光学、纳光学的许多构想成为可能。本发明提出激光对高温合金材料进行微孔加工技术，具有速度快，效率高，精度高，表面粗糙度较小，并通过特殊工艺实现加工中零重铸层、无微裂纹的叶片气膜孔激光高效加工技术研究，从而保证高温合金材料构成的燃气轮机叶片、发动机等重要航空材料部件抗疲劳性能的各项机械性能指标。

附图说明

图1本发明装备结构示意图。

图中标号为：

1-激光器 2-光闸 3-扩束镜

4-激光束 5-45度全反射镜 6-聚焦镜

7-内阀线孔 8-远心场镜 9-Z轴

10-表面感应探测器 11-叶片 12-平台

13-控制系统

具体实施方式

下面对该工艺实施例作详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

本发明涉及一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，采用高平均功率、高重复频率和短脉宽的脉冲激光器，加工的材料为对短脉宽的脉冲激光吸收率较高的耐高温镍基金属类材料，几乎所有的激光能量都被耐高温镍基金属类材料表面所吸收，同时激光轴能相对于所加工叶轮表面孔型高速的上下移动，且光束能高速旋转。激光焦点会形成所需要的钻孔切割线，将会使得叶片沿着固定的切割道向下进阶，直至最终叶片孔型完成，激光光轴再往下一叶片孔型方向移动，如此反复形成叶片表面孔型的加工。

如图1为激光钻孔叶片的装置示意图，采用高功率、高重复频率和短脉宽的脉冲激光器，加工前激光焦点聚焦位于叶片的上表面，激光器1发出的激光束4经过光闸2后到达扩束镜3，激光器1出光直径达到之前的5～20倍，光束发散角变小、利于光束优化操作和同轴光束，有利于光束精微聚焦，光束继续传输，到达45度全反射镜5，光路垂直改向，到达特殊定制聚焦镜6(嵌套在三维动态聚焦振镜内部)后，聚焦成圆形光斑，通过特殊定制的光路聚焦系统7，到达远心场镜8，使光路聚焦成较小光斑在叶片11上，叶片11固定在平台12上；在扫描之前，红外探测系统将表面感应探测器10扫描叶片11的表面轮廓，并反馈到控制系统13中，控制系统13根据扫描区域图形制作成相应的反馈信号，并以此来控制z轴9，实现z轴9上下移动，以保证叶片11所要加工区域在本系统的激光焦点上，从而实现高能量的高重复频率短脉宽的脉冲激光对叶片的精确钻孔。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

D、对燃气轮机叶片做气流检测和热成像检测，此为验证保证气流检测通过和孔径边裂纹最小。

2.如权利要求1所述的一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，其特征在于：所述步骤A中内腔里面填充高分子材料或者聚合物材料为特氟隆材料。

3.如权利要求1所述的一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，其特征在于：所述步骤B中，采用的激光源为高功率的远红外波长激光器、红外激光器、可见光波段激光器、紫外激光器或者深紫外激光器；激光源脉宽为飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器或者连续激光器；重复频率大于50KHz。

4.如权利要求1所述的一种激光钻孔高温合金材料燃气轮机叶片的装备和工艺方法，其特征在于：所述步骤B中的激光器的光束工作时高速旋转。