CN114749806B - 一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，所述带热障涂层涡轮叶片制备冷却膜包括以下步骤：首先将需要的加工涡轮叶片放置在工作台上，并进行固定，然后通过冷却膜孔的角度来调节飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角，开启飞秒激光器并设置激光参数为：脉冲宽度290fs～10ps、峰值功率12～14KW、脉冲频率1kHz～1MHz，通过控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4～0.5mm/s、旋切次数为3次，此时将涡轮叶片利用高频进行预热后，本发明外界氮气通过氮气管输送至工作台以及涡轮叶片表面，能够对打孔时遗留的残渣及进行吹散清理，避免残渣移动至气膜孔内部从而影响飞秒激光对涡轮叶片的加工，使得对气膜孔加工达到较高的质量。

Description

一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法
技术领域
本发明涉及冷却气膜孔加工技术领域，尤其涉及一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法。
背景技术
气膜冷却是一种非常有效的降温手段，其中涡轮叶片冷却气膜孔加工包括电火花加工以及激光加工，气膜孔直径很小而且形状复杂，无法靠铸造直接成型，因此都是在铸造完毕后另行加工的，这就给加工带来极大的难度，目前主流的方法是电火花机床加工，但工具电极制造极为困难，很难加工小于200微米的孔，复杂异形孔往往需要50微米的加工精度而且要有三维精密加工能力，这对电火花加工来说很难实现，而且，涡轮叶片表面通常要覆盖一层热障涂层，一般是陶瓷材料，因为不导电，使得采用传统电火花机床无法加工，只能先打孔再喷涂热障涂层，然后再扩孔的方法，工艺复杂，成本高，并且电火花以及长脉冲激光在加工过程中会产生微裂纹、激光重铸、熔融区和残余应力等热效应，导致制备的气膜孔质量不高，达不到所需性能。
目前飞秒激光由于具有功率密度高、加工精度高以及加工过程中不存在热效应等优势而得到了广泛的关注，有望解决在带有热障涂层的涡轮叶片上制备高质量气膜孔的难题，但现有飞秒激光加工因不具有稳定控制气膜孔的形状以及残渣的清理结构，因此在加工时残渣不能得到及时清理时，处于气膜孔内部的残渣则会影响飞秒激光对涡轮叶片的加工，使得在飞秒激光对涡轮叶片加工时，加工效率较低，同时影响气膜孔的质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中以下缺点，现有激光加工因不具有稳定控制气膜孔的形状以及残渣的清理结构，因此在加工时残渣不能得到及时清理时，处于气膜孔内部的残渣则会影响飞秒激光对涡轮叶片的加工，使得在飞秒激光对涡轮叶片加工时，加工效率较低，同时影响气膜孔的规格，而提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，所述带热障涂层涡轮叶片制备冷却膜孔包括以下步骤：
S1：首先将需要加工涡轮叶片放置在工作台上，并进行固定，然后通过冷却膜孔的角度来调节飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角；
S2：开启飞秒激光器并设置激光参数为：脉冲宽度290fs～10ps、峰值功率12～14KW、脉冲频率1kHz～1MHz；
S3：通过控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4～0.5mm/s、旋切次数为3次，此时将涡轮叶片利用高频进行预热后，并冷却至25°时利用飞秒激光对涡轮叶片进行冷却膜孔的加工，加工方式采用定点冲击法，同时飞秒激光器上安装有氮气管，将氮气管连接外部氮气，氮气作为辅助气体与激光束呈平行状态吹出，其中氮气气压设置为0.5-0.6MPa，并在控制系统的控制下完成对涡轮叶片上冷却膜孔的加工。
优选的，所述飞秒激光与涡轮叶片的离焦量为5mm，飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角为35°。
优选的，所述脉冲宽度800fs，峰值功率13KW，脉冲频率50kHz。。
优选的，所述气膜孔深为已穿透金属层深度的1.2倍。
优选的，所述辅助气体为与激光束呈平行设置且气压为0.5MPa的氮气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4～0.5mm/s、旋切次数为3次，通过冷却膜孔的角度来调节飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角，飞秒激光与涡轮叶片之的离焦量为5mm，飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角为35°，此时将涡轮叶片利用高频进行预热后，并冷却至25°时利用飞秒激光进行涡轮叶片冷却膜孔的加工，从而控制激光加工时能够稳定控制气膜孔的形状。
2、将涡轮叶片利用高频进行预热后，并冷却至25°时利用飞秒激光对涡轮叶片进行冷却膜孔的加工，加工方式采用定点冲击法，同时飞秒激光器上安装有氮气管，将氮气管连接外部氮气，此时氮气作为辅助气体与激光束呈平行设置，在飞秒激光对涡轮叶片进行冷却气膜孔加工时，外界氮气通过氮气管输送至工作台以及涡轮叶片表面，能够对打孔时遗留的残渣及时进行吹散清理，避免残渣移动至气膜孔内部从而影响飞秒激光对涡轮叶片的加工，使得对气膜孔加工达到较高的质量。
3、将带热障涂层的涡轮叶片安装固定在加工台上，然后利用三维视觉技术对涡轮叶片位置和型面误差进行检测，形成检测数据与计算机内标准叶片模型进行对比，若涡轮叶片误差超过允许值则淘汰，若误差在允许范围内，则将误差进行均质化处理，得到叶身所有拟加工气膜孔的机床空间位置坐标和轴线矢量，数控系统加载气膜孔位数据，达到对加工前数据的探测，便于精确的对气膜孔进行加工。
附图说明
图1为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的框图；
图2为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同平均功率对孔形貌的影响规律示意图；
图3为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同重叠率对孔形貌的影响规律示意图；
图4为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同离焦量对孔形貌的影响规律示意图；
图5为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同气压对孔形貌的影响规律示意图；
图6为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同进给量对孔形貌入口直径的影响规律示意图；
图7为发明提出的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法的不同进给量对孔形貌出入口及锥度的影响规律示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，包括以下步骤：
S1：首先将带热障涂层的涡轮叶片安装固定在加工台上，然后利用三维视觉技术对涡轮叶片位置和型面误差进行检测，形成检测数据与计算机内标准叶片模型进行对比，若涡轮叶片误差超过允许值则淘汰，若误差在允许范围内，则将误差进行均质化处理，得到叶身所有拟加工气膜孔的机床空间位置坐标和轴线矢量，数控系统加载气膜孔位数据，调整工作台姿态到起始位置，然后通过冷却膜孔的角度来调节飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角，飞秒激光与涡轮叶片的离焦量为5mm，飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角为35°，涡轮叶片厚度2mm，因此，在飞秒激光器发出的激光应当确保合适的离焦量，离焦量过大，不能去除涡轮叶片表面的陶瓷材料，离焦量过小，激光热源对界面处热影响太大，从而影响对气膜孔的加工质量，涡轮叶片材料为镍基高温合金，涡轮叶片表面涂有热障涂层，热障涂层沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件能在高温下运行，并且可以提高器件热效率达到60％以上；
S2：开启飞秒激光器并设置激光参数为：脉冲宽度290fs～10ps、峰值功率12～14KW、脉冲频率1kHz～1MHz，其中脉冲宽度800fs，峰值功率13KW，脉冲频率50kHz，气膜孔深为已穿透金属层深度的1.2倍，同时控制面板系统能够根据不同气膜孔位和孔形要求从工艺数据库调用相应的加工参数，孔径的极差分析表，其中极差值为每列中的最大值减去最小值的结果，将表中的极差从大到小排列可得到该6个因素对上孔径影响的显著性，对上孔径影响的显著性从高到底依次排列为：离焦量＞气体压强＞进给量＞平均功率＞重叠率＞结束位置；根据图2所示可以看出，随着激光平均功率的增加，孔出口直径在不断的增加，但是孔入口直径略有增加，因此孔锥度有所下降，根据图3所示可以看出，重叠率对出口直径的影响不大，但是对入口直径和锥度影响较大，根据图4所示可以看出，随着离焦量的增加入口和出口的直径都随着增加，根据图5所示可以看出，气压对出口孔径的影响较大，在大于0.25MPa后出口直径随气压的增加而增加，这可能是由于当通孔产生后，更大的气体压力能更有效的带走等离子体有关，根据图6所示可以看出，进给量对入口直径影响不大，较小的进给量会加工出较小锥度的通孔，图7所示可以看出，结束位置对出入口及锥度的影响较小。
S3：通过控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4～0.5mm/s、旋切次数为3次，此时涡轮叶片利用高频进行预热后，并冷却至25°然后利用飞秒激光对涡轮叶片进行冷却膜孔加工，加工方式采用定点冲击法，同时飞秒激光器上安装有氮气管，将氮气管连接外部氮气，此时氮气作为辅助气体与激光束呈平行设置，吹出的气压为0.5-0.6MPa，辅助气体与激光束呈平行设置且气压为0.5MPa的氮气，在飞秒激光对涡轮叶片进行冷却气膜孔加工时，外界氮气通过氮气管输送至工作台以及涡轮叶片表面，能够对打孔时遗留的残渣及进行吹散清理，避免残渣移动至气膜孔内部从而影响飞秒激光对涡轮叶片的加工，在控制系统的控制下完成对涡轮叶片上冷却膜孔的加工。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，其特征在于，所述在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法包括以下步骤：
S1：首先将需要的加工涡轮叶片放置在工作台上，并进行固定，然后通过冷却膜孔的角度来调节飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角；
S2：开启飞秒激光器并设置激光参数为：脉冲宽度290fs～10ps、峰值功率12～14KW、脉冲频率1kHz～1MHz；
S3：通过控制系统中编程激光旋切路线，设定旋切速度为0.4～0.5mm/s、旋切次数为3次，此时将涡轮叶片利用高频进行预热后，并冷却至25°时利用飞秒激光器对涡轮叶片进行冷却膜孔的加工，加工方式采用定点冲击法，同时飞秒激光器上安装有氮气管，将氮气管连接外部氮气，此时氮气作为辅助气体与激光束呈平行状态吹出，其中氮气气压设置为0.5-0.6MPa，并在控制系统的控制下完成在涡轮叶片上冷却膜孔的加工。
2.根据权利要求1所述的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，其特征在于，所述飞秒激光与涡轮叶片的离焦量为5mm，飞秒激光与涡轮叶片之间的夹角为35°。
3.根据权利要求1所述的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，其特征在于，所述飞秒激光脉冲宽度800fs，峰值功率13KW，脉冲频率50kHz。
4.根据权利要求1所述的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，其特征在于，所述冷却膜孔深为已穿透金属层深度的1.2倍。
5.根据权利要求1所述的一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法，其特征在于，所述辅助气体为与激光束呈平行设置且气压为0.5MPa的氮气。
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