CN116984759B - 一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法，所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具体步骤如下：步骤一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工过程分为涂层段、单晶基体段以及气膜孔穿透三个阶段；步骤二，将涂层段和单晶基体段对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包用于后续加工；步骤三，采用飞秒激光旋切扫描方法进行带热障涂层叶片气膜孔加工；步骤四，在加工过程中对同轴监测系统实时采集的图像进行分析比对，所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法实现带热障涂层涡轮叶片气膜孔自动化一体化加工，满足热障涂层无损伤、叶片内腔无背伤的加工要求，提高了气膜孔加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光制孔的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法。
背景技术
随着先进航空发动机的不断发展，涡轮前燃气温度逐渐提高，对涡轮叶片的承温能力提出了更高要求。为满足涡轮叶片等热端部件在高温度、高压力以及高转速等极端服役环境的要求，航空发动机领域一直采用热障涂层技术和气膜孔冷却技术降低热端部件的服役温度从而延长其使用寿命。热障涂层一般为双层结构即表层的陶瓷层与内层的粘接层，主要作用是隔热与抗氧化。传统的气膜孔加工方法如电火花打孔和电液束打孔无法加工导电性较差的热障涂层，需采用的先制孔后涂层方案，无可避免地产生缩孔、堵孔等问题，设计符合性差。
飞秒激光加工技术因具有峰值功率高、非接触加工及热影响区小等优势，可实现带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工，有望解决制造符合性问题。然而，陶瓷层具有硬脆属性，在加工带热障涂层的涡轮叶片气膜孔时，激光诱导的高温高压等离子体对涂层造成严重冲击极易萌生裂纹甚至剥落，使其在极端服役环境下出现高温氧化；同时，较高的峰值功率也会导致涂层热积累超过一定阈值并出现热损伤，致使涂层和基体的粘附性下降，进而影响整个航空发动机的安全性和稳定性。
因此,目前亟需一种能够减少热障涂层损伤的涡轮叶片气膜孔一体化加工方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果优良的带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法。解决针对带热障涂层激光加工存在的涂层热损伤、粘附性下降等问题。
所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具体步骤如下：
步骤一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工过程分为涂层段、单晶基体段以及气膜孔穿透三个阶段。
步骤二，将涂层段和单晶基体段对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包用于后续加工。使用不同种类填充物对涡轮叶片多腔道进行分腔填充，防止激光穿透叶片后损伤。
步骤三，采用飞秒激光旋切扫描方法进行带热障涂层叶片气膜孔加工。
步骤四，在加工过程中对同轴监测系统实时采集的图像进行分析比对，从而判别当前所处加工阶段并调用工艺参数包中对应的工艺参数或者停止加工。
优选的，所述步骤二中的工艺参数包含涂层段和单晶基体段的飞秒激光工艺参数，可以在激光加工过程实现变参数加工。
优选的，所述步骤四中的同轴监测系统具备同轴监测模块和穿透监测模块两种功能模块。
优选的，所述同轴监测模块包括同轴CCD相机单元、图像处理单元和聚焦单元；所述激光束通过聚焦单元作用在叶片表面实现气膜孔加工，用于实时采集加工过程图像的同轴CCD相机单元安装在聚焦单元的光路上，同轴CCD相机单元将采集的图像传输给图像处理单元进行分析比对。
优选的，所述穿透监测模块基于穿透监测判读算法对同轴监测模块采集的图像进行灰度变化比对分析，判别孔加工所处的阶段并反馈至控制系统，调控激光加工参数的输出。
优选的，防止激光穿透叶片后造成背壁损伤。涡轮叶片内部具有多个空心腔道，激光打穿表层基体后，如果不及时停止加工，会造成对面内壁损伤，从而降低叶片服役性能，即背壁损伤。
优选的，所述步骤四包括以下步骤：
第一步，采用涂层段的飞秒激光工艺参数加工热障涂层，同轴监测系统实时采集加工图像并分析比对。
第二步，当穿透监测模块判定加工涂层段的图像消失、单晶基体段的图像出现时，调用单晶基体段的飞秒激光工艺参数加工涡轮叶片基体。
第三步，当穿透监测模块判定单晶基体段的图像消失，填充物的图像出现时，激光器关闭，结束加工。
所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具有如下优点：
第一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工过程分成三个阶段，将不同阶段对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包，采用飞秒激光旋切扫描方法，在不同的加工阶段调用对应的工艺参数，从而解决带热障涂层激光加工存在的涂层热损伤、粘附性下降等问题，实现带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工，提高气膜孔加工质量。
第二，在带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光加工过程中，借助同轴监测系统对采集的光斑图像进行比对分析，判别孔加工所处的阶段并反馈至控制系统，实现激光加工参数的精准调控，提高了气膜孔加工的自动化能力与稳定性。
第三，同轴监测系统的穿透监测模块基于穿透监测判读算法采集的图像进行灰度变化比对分析，精准判别气膜孔的穿透状态，确保涡轮叶片内腔背壁无损伤。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明的带热障涂层涡轮叶片陶瓷层飞秒激光加工方法示意图；
图2是本发明的带热障涂层涡轮叶片气膜孔飞秒激光加工方法示意图；
图3是本发明的带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工剖面实物图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的加工方法进行清楚、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法，所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具体步骤如下：
步骤一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工过程分为涂层段、单晶基体段3以及气膜孔穿透三个阶段，其中，如附图1所示，涂层段由陶瓷层1和粘结层2组成。
步骤二，将涂层段和单晶基体段3对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包，可以在激光加工过程实现变参数加工；使用不同种类填充物对涡轮叶片多腔道进行分腔填充，防止激光穿透叶片后损伤。
步骤三，如附图2所示，采用飞秒激光旋切扫描方法进行带热障涂层叶片气膜孔6加工，使用聚焦镜4将激光聚焦在涂层表面，调整激光头5与气膜孔倾斜角度保持一致，随后开始加工；涡轮叶片气膜孔加工的技术指标要求包括：在500X显微镜下，基体无重熔层、微裂纹和热影响区，涂层无起皱、开裂、分层、孔口脱落不大于0.05mm×0.05mm。
飞秒激光加工装置具备同轴监测系统，该系统包括同轴监测模块和穿透监测模块两种功能模块。同轴监测模块主要由同轴CCD相机单元、图像处理单元和聚焦单元组成，可实时监测并采集激光制孔过程的光斑图像；穿透监测模块主要基于穿透监测判读算法对同轴监测模块采集的图像进行灰度变化比对分析，判别孔加工所处的阶段并反馈至控制系统，调控激光加工参数的输出。
步骤四，在加工过程中采用涂层段的飞秒激光工艺参数加工热障涂层，同轴监测系统实时采集加工图像并分析比对，当穿透监测模块判定加工涂层段的图像消失、单晶基体段3的图像出现时，调用单晶基体段3的飞秒激光工艺参数加工涡轮叶片基体；当穿透监测模块判定单晶基体段3的图像消失，填充物的图像出现时，激光器关闭，结束加工。
加工完成后，通过塞规与金相显微镜对气膜孔加工质量进行检测，带热障涂层气膜孔的剖面图如图3所示，其中，上方不清晰的位置代表涂层。可以看出带热障涂层涡轮叶片气膜孔飞秒激光一体化加工可以实现无锥度、无再铸层、无热影响区、无微裂纹、低粗糙度的高质量气膜孔，涂层无起皱、开裂、分层、孔口脱落不大于0.05mm×0.05mm。
实施例2
所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具体步骤如下：
步骤一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工过程分为涂层段、单晶基体段3以及气膜孔穿透三个阶段。
步骤二，将涂层段和单晶基体段3对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包用于后续加工。
步骤三，采用飞秒激光旋切扫描方法进行带热障涂层叶片气膜孔加工。
步骤四，在加工过程中对同轴监测系统实时采集的图像进行分析比对，从而判别当前所处加工阶段并调用工艺参数包中对应的工艺参数或者停止加工。
优选的，所述步骤二中的工艺参数包含涂层段和单晶基体段3的飞秒激光工艺参数，可以在激光加工过程实现变参数加工。
优选的，所述步骤四中的同轴监测系统具备同轴监测模块和穿透监测模块两种功能模块。
优选的，所述同轴监测模块包括同轴CCD相机单元、图像处理单元和聚焦单元；所述激光束通过聚焦单元作用在叶片表面实现气膜孔加工，用于实时采集加工过程图像的同轴CCD相机单元安装在聚焦单元的光路上，同轴CCD相机单元将采集的图像传输给图像处理单元进行分析比对。
优选的，所述穿透监测模块基于穿透监测判读算法对同轴监测模块采集的图像进行灰度变化比对分析，判别孔加工所处的阶段并反馈至控制系统，调控激光加工参数的输出。
优选的，防止激光穿透叶片后造成背壁损伤。涡轮叶片内部具有多个空心腔道，激光打穿表层基体后，如果不及时停止加工，会造成对面内壁损伤，从而降低叶片服役性能，即背壁损伤。
优选的，所述步骤四包括以下步骤：
第一步，采用涂层段的飞秒激光工艺参数加工热障涂层，同轴监测系统实时采集加工图像并分析比对。
第二步，当穿透监测模块判定加工涂层段的图像消失、单晶基体段3的图像出现时，调用单晶基体段3的飞秒激光工艺参数加工涡轮叶片基体。
第三步，当穿透监测模块判定单晶基体段3的图像消失，填充物的图像出现时，激光器关闭，结束加工。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法，其特征在于：所述带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法具体步骤如下：
步骤一，将带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工过程分为涂层段、单晶基体段(3)以及气膜孔穿透三个阶段；
步骤二，将涂层段和单晶基体段(3)对应的飞秒激光工艺参数制作成工艺参数包用于后续加工；所述工艺参数包含涂层段和单晶基体段(3)的飞秒激光工艺参数，可以在激光加工过程实现变参数加工；
步骤三，采用飞秒激光旋切扫描方法进行带热障涂层叶片气膜孔(6)加工；
步骤四，在加工过程中对同轴监测系统实时采集的图像进行分析比对，从而判别当前所处加工阶段并调用工艺参数包中对应的工艺参数或者停止加工；同轴监测模块包括同轴CCD相机单元、图像处理单元和聚焦单元；激光束通过聚焦单元作用在叶片表面实现气膜孔加工，用于实时采集加工过程图像的同轴CCD相机单元安装在聚焦单元的光路上，同轴CCD相机单元将采集的图像传输给图像处理单元进行分析比对；所述同轴监测系统具备同轴监测模块和穿透监测模块两种功能模块，所述穿透监测模块基于穿透监测判读算法对同轴监测模块采集的图像进行灰度变化比对分析，判别孔加工所处的阶段并反馈至控制系统，调控激光加工参数的输出；所述步骤四包括以下步骤：
第一步，采用涂层段的飞秒激光工艺参数加工热障涂层，同轴监测系统实时采集加工图像并分析比对；
第二步，当穿透监测模块判定加工涂层段的图像消失、单晶基体段(3)的图像出现时，调用单晶基体段(3)的飞秒激光工艺参数加工涡轮叶片基体；
第三步，当穿透监测模块判定单晶基体段(3)的图像消失，填充物的图像出现时，激光器关闭，结束加工。
2.根据权利要求1所述的带热障涂层涡轮叶片气膜孔一体化加工方法，其特征在于：在进行步骤三操作之前，使用不同种类填充物对涡轮叶片多腔道进行分腔填充。
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