CN110640339A - 一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，包括：气膜孔CAD模型的导入与切片处理；对壁保护填充与叶片装夹；叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正；激光加工与在线监测；加工后处理；工业CT多角度探伤及检测。该项加工工艺技术可以实现复杂异形气膜孔的精密加工，并且进一步提高气膜孔加工的表面完整性，对提高涡轮发动机/燃气轮机的质量有重大意义，为新一代涡轮式航空发动机、舰船燃气轮机的研制提供技术支撑。

Description

一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

现代先进的涡轮式航空发动机/燃气轮机普遍采用小孔气膜冷却技术，以增加涡轮前温度，从而提高发动机的推重比。小孔气膜冷却技术的主要结构特点是在涡轮叶片前缘、叶身型面及缘板等部位设计了大量的气膜孔，目前常见的孔径一般在0.2～0.8mm，空间角度复杂，每排气膜孔的角度都不尽相同，角度为15°～90°。气膜孔要求具有较高的表面质量，较小的重熔层，每片叶片有数十至数百个，整个燃烧室有数万个这样的气膜孔。早期气膜孔为简单的圆形孔，为了提高冷却效率，后逐渐演变成扇形或矩形等异形孔，现在已经发展到复杂的异形孔如簸箕孔、猫耳形孔等，其目的都是为了在叶片表面上形成更加完善的冷却气膜，提高叶片的冷却效果和叶片的承温能力。航空发动机性能的好坏很大程度上取决于叶片上气膜冷却孔的形状和质量，气膜冷却孔因其对发动机的冷却有较明显的效果，故一直受到航空装备业的广泛关注。然而由于高质量气膜孔的加工技术难度高，一直是航空装备制造业亟需解决的难题。

气膜冷却孔直径小而且形状复杂、精度要求高，无法靠铸造直接成型，因此都是在精密铸造完成后另行加工。由于叶片材料及加工难度的制约，气膜孔的加工多采用特种加工技术，包括电火花放电加工、激光加工、电化学加工、电液束加工等。目前国内普遍使用的方法是电火花放电加工(EDM)，但是现在复杂的异形孔往往需要很高的三维精密加工能力，EDM加工难以满足越来越高的精度要求。其次，EDM加工对工具电极损耗大，但制造和修复较困难，价格昂贵；同时，EDM加工也会产生重熔层和微裂纹，后处理流程复杂繁琐。此外，电火花放电加工无法加工非导电材料，因此未来带热障涂层叶片，陶瓷基复合材料、碳硅复合材料等性能优良的新型材料叶片都将无法采用电火花放电加工。电化学加工和电液束流加工技术都不会产生重熔层、微裂纹和热影响区，但都存在很大的局限性，如加工效率很低、重复精度差、而且存在杂散腐蚀现象，导致开孔的轮廓形状难以控制等，不能满足复杂异形孔批量生产要求。激光制孔因其属于非接触式加工，加工过程不产生机械应力，对材料无选择性，激光束可操控性强，易于实现空间复杂轨迹运动，加工精度、加工效率高等优势，使其在气膜孔加工领域的应用越来越多。长远来看，激光加工是航空发动机涡轮叶片复杂异形气膜孔加工的一种重要的发展趋势。

激光气膜孔的加工首先要实现先进的冷却结构形状，同时需要避免孔口和孔内壁残渣，重铸层、微裂纹、层间撕裂、表面剥落、不良应力集中等加工损伤，保证叶片的疲劳寿命。随着航空发动机可靠性要求的提高，对气膜孔表面完整性的要求越来越严格，必须进一步降低加工孔口及孔壁表面的残渣、重熔层和避免叶片基体腐蚀和中空叶片的背面损伤等加工缺陷。

发明内容

为了克服上述现有气膜孔激光加工技术的不足，本发明提供一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，有效地提高了气膜孔表面完整性，降低了加工孔口及孔壁表面的残渣、重熔层，有效避免了叶片基体腐蚀和中空叶片的背面损伤。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，包括：

(1)气膜孔CAD模型的导入与切片处理；

(2)对壁保护填充及叶片装夹；

(3)叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正；

(4)激光加工与在线监测；

(5)加工后处理；

(6)工业CT多角度探伤及检测。

本申请中MARK点的标记在叶片精密成型铸造中完成。

在一些实施例中，所述填充物采用直径≤0.2mm的黑碳化硅(代号为C)颗粒物作为对壁保护介质。

在一些实施例中，所述装夹的夹具以榫齿和侧平面为定位基准，叶片中心线与夹具回转中心重合。

在一些实施例中，加工过程中，每隔若干个孔或者固定时间间隔，软件自动识别匹配MARK点一次，如果发现误差，则予以补偿。

在一些实施例中，所述激光加工的工艺参数包括：激光功率、重复频率、扫描速度、扫描路径、进给量。

在一些实施例中，所述激光加工包括：钻通孔、孔型加工、修孔。

在一些实施例中，所述在线检测的方法为：同轴光谱仪实时采集加工区域的反射光线，通过分析加工区域反射光线的光谱特性判断当前是否穿孔。

在一些实施例中，所述加工后处理包括超声酸洗、喷淋、烘烤；

在一些实施例中，本申请优先选用工业CT多角度探伤，也可用X射线检测或超声检测替代。

本发明还提供了任一上述的工艺制备的具有异形气膜孔的涡轮叶片。

本发明还提供了上述具有异形气膜孔的涡轮叶片在制造涡轮式航空发动机或燃气轮机中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)采用软件自动Mark点自动识别匹配，能实时修正坐标位置偏差，保证气膜孔位置精度。

(2)本发明通过黑碳化硅颗粒物填充和光谱仪穿孔实时监测技术，可基本杜绝小间距叶片对壁损伤的发生，极大地提高了气膜孔加工的表面完整性。

(3)本发明方法通过激光加工后的后处理手段，可有效去除叶片气膜孔孔口及孔壁残渣，进一步降低激光加工后的重铸层厚度、微裂纹等冶金缺陷，进而提升叶片的疲劳寿命。

(4)本申请的操作方法简单、精度高、具有普适性，易于规模化生产。

该项加工工艺技术可以实现复杂异形气膜孔的精密加工，并且进一步提高气膜孔加工的表面完整性，对提高涡轮发动机/燃气轮机的质量有重大意义，为新一代战机航空发动机、舰船燃气轮机的研制提供技术支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明具体实施例中提供的一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺的加工流程图。

图2为本发明实施例1中DD6高温合金涡轮叶片猫耳形气膜孔激光加工步骤4的工艺参数表。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，随着航空发动机可靠性要求的提高，越来越严格要求进一步降低加工孔口及孔壁表面的残渣、重熔层和避免叶片基体腐蚀和中空叶片的背面损伤等。现有的激光气膜孔加工工艺技术已经难以达到这些严苛的质量要求了，为实现涡轮叶片表面复杂冷却气膜孔的无损伤或低损伤成型制造，本申请提出了一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，其包括以下步骤：(1)气膜孔CAD模型的导入与切片处理；(2)对壁保护填充及叶片装夹；(3)叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正；(4)激光加工与在线监测；(5)加工后处理；(6)工业CT多角度探伤及检测；

作为进一步的技术方案，所述步骤(2)中采用直径≤0.2mm的黑碳化硅颗粒物做为叶片腔内填充介质，可以有效防止激光加工过程中对叶片腔内对壁造成损伤。

作为进一步的技术方案，所述步骤(3)中，开始加工前，激光加工设备上的旁轴CCD开始自动识别匹配叶片上用于定位的若干MARK点(也称标记点或特征点)，软件系统能自动补偿修正当前坐标(所述软件可以采用气膜孔激光全自动加工控制软件V1.0)。为保证全部孔的定位精度，可设置在加工过程中每隔若干个孔或固定时间间隔，软件自动识别匹配MARK点一次，如果发现误差，则予以补偿，可以提高设备整体定位、加工精度。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中激光加工设备采用紫外皮秒激光器，输出激光的中心波长为355nm，最高平均功率为48W，脉宽<10ps，重复频率为0～1MHz，光束质量因子M²<1.2，经过光学导光系统聚焦后的光斑直径约18um。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中激光加工设备采用高速扫描振镜系统，F-θ场镜焦距F＝100mm，光学扫描系统用于扫描气膜孔的三维轮廓。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中激光加工设备采用一个与工控机相连的旁轴激光测距仪来保证气膜孔加工过程中的焦距。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中激光加工设备光路系统中有同轴的光谱仪，能通过采集激光束辐照在黑碳化硅颗粒物上反射回来的光谱来判断当前孔状态是否打通。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中气膜孔激光加工包括三个阶段：通孔加工阶段、孔型加工阶段、修孔加工阶段，不同加工阶段采用不同激光加工工艺参数。

作为进一步的技术方案，所述步骤(5)中加工后处理包括超声酸洗、喷淋和烘烤等工序，其目的是去除激光加工气膜孔孔口及孔壁表面残渣和进一步降低重熔层厚度。

作为进一步的技术方案，所述步骤(5)中加工后处理超声酸洗液中添加适量缓蚀剂(例如：欣格瑞环境科技有限公司生产的多功能酸洗缓蚀剂SGR-0405)，缓蚀剂能吸附在叶片基体表面，有效隔绝叶片基体与介质酸的接触，实现对涡轮叶片高温合金基体的保护。

作为进一步的技术方案，所述步骤(6)中优先采用工业CT进行最终的叶片质量检测，能有效检测出涡轮叶片气膜孔激光加工后的材料分层、撕裂、表面残渣、对壁损伤、内部裂纹等各种常见缺陷。

以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。

本申请提供了一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺的具体实施例的工艺流程如图1所示，具体包括以下六个步骤：

S01，气膜孔CAD模型的导入与切片处理。

本实施例中，先将设计的三维异形孔CAD模型导入设备专用气膜孔加工软件(例如：气膜孔激光全自动加工控制软件V1.0)，进行分层切片处理并生成可以驱动五轴运动系统的数控代码。

S02，对壁保护填充及叶片装夹。

所述对壁保护填充和叶片装夹属于加工前的准备工作。因为聚焦后的激光束具有极高的功率密度，在打通叶片上的小孔后，会对叶片内腔对壁造成损伤。本发明采用直径≤0.2mm的黑碳化硅颗粒物作为涡轮叶片激光加工中的对壁保护介质。涡轮叶片气膜孔的位置精度要求较高，为了保证位置精度，不同型号涡轮叶片需使用专用夹具。由于激光加工是非接触加工，无切削力，因此设计夹具时只需要考虑定位准确和装夹及拆卸方便。本发明夹具以榫齿和侧平面为定位基准，叶片中心线与夹具回转中心重合，定位准确，拆装方便。

S03，叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正。

待加工涡轮叶片装夹在激光加工设备上后，安装时的位置和倾斜角度等的理论位置与实际位置总会出现轻微偏差。因此，需要在叶片精密铸造成型过程中预先标记若干MARK点(也称标记点或特征点)，用于精确定位。开始加工前，激光加工设备上的旁轴CCD开始自动匹配识别叶片上用于定位的若干MARK点，软件系统自动补偿修正当前坐标与理论坐标的偏差。为保证全部孔的定位精度，可设置在加工过程中每隔若干个孔或固定时间间隔，软件自动识别匹配MARK点一次，如果发现误差，则予以补偿，可以提高设备整体定位、加工精度。

S04，激光加工与在线监测。

由计算机控制系统设置不同加工阶段的激光加工工艺参数，所述加工工艺参数为激光功率、重复频率、扫描速度、扫描路径、进给量等。涡轮叶片异形气膜孔的激光加工分三个阶段，第一阶段：钻通孔，便于后续加工残渣从下方出去；第二阶段：孔型加工，通过三维扫描的方式加工出既定孔型的气膜孔；第三阶段：修孔，通过小功率、高重复频率的方式快速扫描，修整孔型，使气膜孔满足加工精度要求。加工过程中，同轴光谱仪实时采集加工区域的反射光线，通过分析加工区域反射光线的光谱特性判断当前是否穿孔。

S05，加工后处理。

气膜孔激光加工后处理包括超声酸洗、喷淋和烘烤等工序，其目的主要是去除激光加工气膜孔孔口及孔壁表面残渣和进一步降低重熔层厚度，提高气膜孔表面完整性。

超声酸洗过程是气膜孔激光加工工艺关键技术之一。超声酸洗过程兼有物理和化学两种作用，超声波空化作用对孔口及孔壁残渣的机械“剥离”作用明显，化学溶解对重熔层的去除作用较好。酸洗池中酸洗液的配置、酸洗时间、酸洗温度等都对最终的酸洗效果产生重要的影响。研究发现，酸洗液中添加少量缓蚀剂能显著减缓或阻止金属在酸洗过程中腐蚀。按照缓蚀剂在金属表面形成的保护膜机理的不同可以分为氧化膜型、沉淀型和吸附型缓蚀剂。本发明采用的是吸附型缓蚀剂，其基本原理如下：每个吸附型缓蚀剂分子同时具有亲水基团和憎水基团，亲水基团可以吸附在高温合金基体表面，而憎水基团向外，从而形成吸附膜，隔绝酸洗液与叶片高温合金基体表面，从而阻碍了涡轮叶片高温合金基体与混合酸液的反应，起到缓蚀作用。超声酸洗过程中，若酸洗时间过短，则孔口及孔壁残渣去除不彻底，或重熔层腐蚀厚度达不到既定要求；若酸洗时间过长，则酸洗液对涡轮叶片基体会造成腐蚀损伤。因此，把握超声酸洗操作时间不仅需要有实验数据作为依据，同时还要求操作工人要有一定经验。经过超声波酸洗后的工件，再经喷淋、烘干等工序后，再进行质量检测。

S06，工业CT多角度探伤及检测。

目前机械零部件内部缺陷质量检查，除目视外，无损检查方式常采用X射线检测和超声检测方法。X射线检测输出的是二维影像，对于具有比较复杂的空间位置和角度的气膜孔，输出影像会相互重叠，很难对气膜孔细节特征进行评定、准确定位和定量测量，给气膜孔加工质量的判断带来较大困难。由于涡轮叶片复杂零件的结构限制，某些部位的缺陷用传统的射线照相或超声检测方法也无法很准确的进行探伤。

工业CT，即计算机断层扫描成像，具有直观、准确、无损伤等特点。其原理主要是：通过扫描工件得到断层投影值，然后通过图像重建算法重建出断层图像。工业CT能输出检测机械零部件的三维结构影像，且检测对象不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别，从图像上可以直接获得目标特征的空间位置、形状及尺寸的信息。由于工业CT图像直观，图像灰度与工件的材料、几何结构、组分及密度特性相对应，不仅能得到缺陷的形状、位置及尺寸等信息，结合密度分析技术，还可以确定缺陷的性质。工业CT图像能充分再现工件材料的组分特性，所以也适合于复合材料内多种类型的缺陷检测。另外，对产品的检测结果表明，工业CT设备对残渣堆积、层间撕裂、重熔层、缩孔、分层、材料内部裂纹等各种常见缺陷具有很高的探测灵敏度，一定范围内能够精确地测定缺陷的几何尺寸。

本发明优先采用工业CT扫描的方法检测最终气膜孔的质量，不仅可输出气膜孔的三维空间分布图像，还可进行孔型的测量，给出直观孔型三维图及数据，而且，对材料分层、撕裂、残渣、对壁损伤、内部裂纹等缺陷可以有精确的判断。

实施例1

下面结合附图1、附图2对本实施例公开的DD6高温合金涡轮叶片猫耳异形孔的激光加工工艺做进一步的说明：

气膜孔CAD模型的导入及切片处理。将设计的三维异形孔CAD模型文件导入气膜孔激光全自动加工控制软件V1.0，进行分层切片处理并生成可以驱动五轴运动系统的数控代码。

对壁保护填充与装夹。需先对市购黑碳化硅进行研磨过滤处理，然后将黑碳化硅小颗粒通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，使其填充满叶片内部型腔。这样激光在透过小孔时，受腔内黑碳化硅颗粒的吸收、反射、散射等作用，使得激光无法照射到对壁，或者辐照在对壁的激光能量密度减小，从而减弱或消除激光对叶片腔内对壁的损伤。

激光加工。由计算机控制系统设置不同加工阶段的激光加工工艺参数，如图2所示。涡轮叶片异形气膜孔的加工分三个阶段，第一阶段：钻通孔，便于后续加工残渣从下方出去；第二阶段：孔型加工，通过三维扫描的方式加工出既定猫耳孔型的气膜孔；第三阶段：修孔，通过小功率、高重复频率的方式快速扫描三维猫耳型轮廓，修整孔型，使气膜孔满足加工精度要求。加工过程中，同轴光谱仪实时采集加工区域的反射光线，通过分析加工区域反射光线的光谱特性判断当前是否穿孔。激光加工完后，需用高压水射流通过涡轮叶片顶端的孔将流道内的黑碳化硅颗粒冲出，保证叶片腔体内无碳化硅颗粒附着。

超声酸洗。设置超声波发生器功率为32kw，频率为28kHz，在温度为55℃时将工件处理3min，孔口及孔壁残渣可以完全去除，平均重熔层去除率达80％以上。添加缓蚀剂后可以使酸液对涡轮叶片高温合金基体的缓蚀率达到90％以上，经检测对涡轮叶片高温合金基体几乎不造成损伤。超声波对氧化皮的机械“剥离”作用明显，化学溶解对重熔层去除作用较好。

喷淋和烘烤。经过超声酸洗过的涡轮叶片经专用传送装置运送到喷淋池，喷淋装置带有多个喷嘴，均匀分布在喷淋池的空间各个角度。开启喷淋阀门后，高压水从各个角度的喷嘴射出，对涡轮叶片进行彻底的清洗。叶片清洗完成后进行热风烘烤干燥后出料。

工业CT多角度探伤及检测。采用工业CT扫描的方法检测最终气膜孔的质量，输出气膜孔的三维空间分布图像，进行孔型的测量，给出直观孔型三维图及数据，专业人员判断是否存在材料分层、撕裂、残渣、对壁损伤、内部裂纹等缺陷。

以上对本发明实施例所提供的一种DD6高温合金涡轮叶片猫耳异形孔的激光加工工艺进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法和核心思想；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，包括：

(1)气膜孔CAD模型的导入与切片处理；

(2)对壁保护填充及叶片装夹；

(3)叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正；

(4)激光加工与在线监测；

(5)加工后处理；

(6)工业CT多角度探伤及检测。

2.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述填充采用直径≤0.2mm的黑碳化硅——代号为C——颗粒物作为对壁保护介质。

3.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述装夹的夹具以榫齿和侧平面为定位基准，叶片中心线与夹具回转中心重合。

4.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，步骤(3)的具体操作方式为：开始加工前，激光加工设备上的旁轴CCD开始自动匹配识别叶片上用于定位的若干MARK点，软件系统自动补偿修正当前坐标与理论坐标的偏差；

优选地，设置在加工过程中每隔若干个孔或固定时间间隔，软件自动识别匹配MARK点一次，如果发现误差，则予以补偿。

5.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述激光加工的工艺参数包括：激光功率、重复频率、扫描速度、扫描路径、进给量；

优选地，激光加工设备采用紫外皮秒激光器，输出激光的中心波长为355nm，最高平均功率为48W，脉宽<10ps，重复频率为0～1MHz，光束质量因子M²<1.2，经过光学导光系统聚焦后的光斑直径约18um；

更优选地，激光加工设备采用高速扫描振镜系统，F-θ场镜焦距F＝100mm，光学扫描系统用于扫描气膜孔的三维轮廓；

更优选地，激光加工设备采用一个与工控机相连的旁轴激光测距仪来保证气膜孔加工过程中的焦距。

6.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述激光加工的具体过程包括：

第一阶段：钻通孔，便于后续加工残渣从下方出去；

第二阶段：孔型加工，通过三维扫描的方式加工出既定孔型的气膜孔；

第三阶段：修孔，通过小功率、高重复频率的方式快速扫描，修整孔型，使气膜孔满足加工精度要求。

7.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述在线检测的方法为：同轴光谱仪实时采集加工区域的反射光线，通过分析加工区域反射光线的光谱特性判断当前是否穿孔。

8.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述加工后处理包括超声酸洗、喷淋、烘烤；

优选地，所述加工后处理超声酸洗液中添加适量缓蚀剂，缓蚀剂能吸附在叶片基体表面，有效隔绝叶片基体与介质酸的接触，实现对涡轮叶片高温合金基体的保护；

优选地，所述超声波发生器功率为32kw，频率为28kHz，在温度为55℃时将工件处理3min；

优选地，所述喷淋装置带有多个喷嘴，均匀分布在喷淋池的空间各个角度。

9.如权利要求1所述的涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺,其特征在于，所述质量检测方式优先选用工业CT多角度探伤，也可用X射线检测或超声检测替代。

10.权利要求1-9任一项所述的方法制备的具有异形气膜孔的涡轮叶片在制造涡轮式航空发动机或燃气轮机中的应用。

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