花 加 工 (EDM), 电 化 学 加 工 (ECM), 磨 粒 水 射 流 加 工 (AWJM), 激 光 加 工 (LMP), 超 声 加 工 (USP) 等 [3] 这 些 工 艺 各 有 优 缺, 其 中 激 光 加 工 由 于 具 备 高 分 辨 率 高 能 量 密 度 和 高 生 产

激 光 在 飞 机 发 动 机 制 造 领 域 的 两 大 应 用 -- 冷 却 孔 加 工 与 冲 击 强 化 处 理 1 张 文 武, 张 天 润, 郭 春 海, 阮 亮, 焦 俊 科, 杨 旸, 刘 路 激 光 与 智 能 能 量 场 制 造 团 队, 中 国 科 学 院 宁 波 材 料 技 术 与 工 程 研 究 所 通 讯 作 者 : 张 文 武 zhangwenwu@nimte.ac.cn 摘 要 : 本 文 重 点 讨 论 激 光 打 孔 技 术 和 激 光 冲 击 强 化 技 术 在 飞 机 发 动 机 制 造 领 域 的 进 展 和 应 用 文 章 首 先 回 顾 发 动 机 叶 片 冷 却 孔 设 计 与 加 工 的 历 史, 指 出 穿 越 多 层 复 合 结 构 的 异 型 孔 加 工 所 面 临 的 一 系 列 挑 战, 介 绍 前 沿 竞 争 技 术 的 优 缺, 探 讨 单 步 异 型 孔 加 工 的 技 术 路 线, 并 汇 报 团 队 所 取 得 的 最 新 成 果 ; 介 绍 水 助 激 光 加 工 技 术 及 其 突 破 激 光 加 工 极 限 的 巨 大 潜 力 文 章 接 着 讨 论 激 光 冲 击 强 化 处 理 对 于 提 高 发 动 机 叶 片 疲 劳 寿 命 的 重 大 意 义, 探 讨 新 一 代 激 光 冲 击 强 化 技 术 提 高 当 前 强 化 技 术 的 一 致 性 可 靠 性 和 适 用 性 的 潜 力 文 章 最 后 指 出 : 激 光 等 特 种 加 工 应 该 与 其 它 工 艺 融 合, 寻 求 工 程 问 题 的 最 优 解, 加 速 技 术 创 新 这 正 是 智 能 能 量 场 制 造 的 真 谛 关 键 词 : 飞 机 发 动 机, 叶 片, 激 光 加 工, 冷 却 孔, 异 型 孔, 激 光 冲 击 强 化, 水 助 激 光 加 工, 智 能 能 量 场 制 造 1 引 言 : 飞 机 发 动 机 制 造 与 特 种 加 工 的 兴 起 自 从 1903 年 莱 特 兄 弟 成 功 试 飞 了 世 界 上 第 一 架 重 于 空 气 的 飞 机, 飞 机 制 造 迅 速 形 成 全 球 热 潮 一 战 二 战 期 间 军 用 飞 机 得 到 迅 猛 发 展, 战 后 形 成 庞 大 的 军 用 和 民 用 飞 机 产 业 飞 机 发 动 机 制 造 是 飞 机 制 造 的 核 心,2012 年 飞 机 发 动 机 全 球 产 业 达 到 400 亿 美 元 [1] 大 型 民 用 飞 机 发 动 机 市 场 基 本 被 美 国 GE 公 司, 普 惠 公 司 和 英 国 罗 罗 公 司 三 家 垄 断, 军 用 飞 机 发 动 机 则 以 美 国 前 苏 联 国 家 英 国 法 国 称 雄 目 前, 中 国 在 飞 机 发 动 机 这 一 当 代 制 造 业 前 沿 领 域 差 距 明 显, 制 约 了 国 产 飞 机 产 业 的 快 速 独 立 发 展 这 里 的 差 距 体 现 在 设 计 材 料 制 造 工 艺 和 系 统 化 管 理 等 很 多 方 面 [2] 飞 机 发 动 机 追 求 高 的 推 重 比 长 期 的 质 量 稳 定 性 以 及 尽 可 能 高 的 能 源 效 率, 相 应 地 需 要 使 用 诸 多 先 进 材 料 和 复 杂 结 构, 以 减 轻 重 量 或 提 高 耐 高 温 性 能 高 强 度 铝 合 金 钛 合 金 镍 基 合 金 热 障 涂 层 碳 纤 维 复 合 材 料 金 属 基 复 合 材 料 陶 瓷 基 复 合 材 料 单 晶 金 属 叶 片 等 众 多 新 材 料 的 使 用 对 加 工 技 术 提 出 了 一 系 列 新 挑 战, 尤 其 是 当 这 些 材 料 需 要 以 复 杂 结 构 制 造 出 来, 又 需 要 满 足 长 期 极 端 服 役 条 件 时 这 里 的 极 端 服 役 条 件 包 括 高 温 腐 蚀 性 气 体, 交 变 载 荷, 异 物 高 速 冲 击 等 常 规 的 机 械 加 工 依 赖 刀 具 的 高 硬 度 和 高 韧 性 去 除 材 料, 由 于 分 辨 率 耐 磨 性 和 加 工 反 作 用 力 等 方 面 的 局 限, 航 空 航 天 等 产 业 催 生 了 非 机 械 类 加 工 技 术, 包 括 电 火

花 加 工 (EDM), 电 化 学 加 工 (ECM), 磨 粒 水 射 流 加 工 (AWJM), 激 光 加 工 (LMP), 超 声 加 工 (USP) 等 [3] 这 些 工 艺 各 有 优 缺, 其 中 激 光 加 工 由 于 具 备 高 分 辨 率 高 能 量 密 度 和 高 生 产 率, 在 发 动 机 叶 片 加 工 等 领 域 有 重 大 应 用 这 些 非 常 规 机 械 接 触 式 加 工 工 艺 由 于 历 史 原 因, 被 称 为 特 种 加 工 特 种 加 工 迄 今 的 发 展 也 基 本 上 名 副 其 实, 即 : 尽 管 这 些 工 艺 很 重 要, 有 的 对 军 工 等 前 沿 技 术 系 统 有 无 可 替 代 的 地 位, 但 总 体 上, 这 些 工 艺 处 于 主 流 加 工 的 附 属 地 位, 只 有 在 常 规 加 工 力 不 能 及 时 或 过 于 昂 贵 时 人 们 才 会 考 虑 使 用 所 谓 的 特 种 加 工 特 种 和 常 规 之 分 一 定 程 度 上 人 为 抬 高 了 工 艺 创 新 的 门 槛 特 种 加 工 工 艺 之 间 也 存 在 跨 界 障 碍, 不 同 能 量 场 的 研 究 者 可 能 一 生 只 专 注 于 某 种 或 少 数 几 种 工 艺, 比 如, 研 究 激 光 加 工 的 人 很 少 研 究 电 加 工, 研 究 电 加 工 的 团 队 很 少 涉 及 超 声 加 工 事 实 上, 如 果 能 够 进 行 多 种 能 量 场 的 融 合, 则 一 些 工 艺 难 题 可 能 以 更 低 的 代 价 得 到 解 决 系 统 化 研 究 多 种 能 量 场 融 合 制 造 的 思 想 早 在 1988 年 就 被 提 出,2006 年 近 年 开 始 在 ASME 已 经 举 行 多 届 研 讨 会, 这 个 方 向 被 称 为 智 能 能 量 场 制 造 [3] 本 文 将 首 先 讨 论 激 光 加 工 在 飞 机 发 动 机 叶 片 冷 却 孔 加 工 激 光 冲 击 强 化 处 理 以 及 3D 打 印 等 方 面 的 应 用, 指 出 多 能 场 融 合 在 发 动 机 生 产 领 域 的 必 要 性 文 章 最 后 讨 论 基 于 现 代 工 程 方 法 的 全 局 优 化 对 飞 机 发 动 机 制 造 的 必 要 性 2 先 进 冷 却 孔 加 工 技 术 2.1 冷 却 孔 技 术 的 演 化 和 加 工 领 域 面 临 的 挑 战 飞 机 发 动 机 的 性 能 与 工 作 温 度 密 切 相 关, 工 作 温 度 越 高, 所 获 得 能 量 效 率 和 推 重 比 越 高 如 图 1 所 示, 飞 机 发 动 机 通 过 风 扇 将 空 气 压 缩 后 进 入 燃 烧 室, 与 燃 料 剧 烈 反 应, 高 温 高 压 燃 气 喷 出, 推 动 涡 轮 叶 片, 产 生 电 力 和 推 力 发 动 机 的 热 端 部 件, 尤 其 是 涡 轮 导 向 叶 片 和 工 作 叶 片, 处 于 高 温 高 压 腐 蚀 性 气 体 极 端 环 境, 需 要 长 期 可 靠 地 工 作 由 于 现 代 飞 机 发 动 机 的 工 作 温 度 已 经 超 过 高 温 合 金 的 直 接 上 限 工 作 温 度, 必 须 通 过 一 定 的 工 程 手 段 保 障 叶 片 材 料 和 结 构 的 稳 定 性, 主 要 技 术 方 式 是 (1) 施 加 气 膜 冷 却 ;(2) 在 高 温 合 金 的 表 面 施 加 热 障 涂 层 (TBC) 两 者 的 组 合 使 得 叶 片 合 金 可 以 工 作 在 合 金 熔 点 200-300 度 以 上 的 工 作 温 度, 大 大 提 升 了 高 温 合 金 的 适 用 范 围 施 加 气 膜 冷 却, 就 需 要 将 叶 片 做 成 中 空 结 构, 并 排 布 气 膜 冷 却 孔, 使 得 内 部 喷 出 的 冷 却 气 体 贴 在 叶 片 表 面, 形 成 一 个 流 动 的 热 屏 障, 使 得 叶 片 表 面 的 温 度 比 远 场 温 度 有 显 著 差 别 进 一 步 地, 在 合 金 表 面 施 加 陶 瓷 类 热 障 涂 层 和 环 境 保 护 层, 陶 瓷 能 耐 更 高 的 温 度, 形 成 第 二 道 屏 障, 最 终 保 证 合 金 温 度 在 安 全 范 围 这 样, 合 金 类 高 温 叶 片 的 材 料 组 合 是 复 合 型 材 料, 从 外 到 里, 包 括 环 境 保 护 涂 层 热 障 涂 层 结 合 层 和 高 温 合 金 层 这 样 的 材 料 组 合 加 上 3D 曲 面 和 中 空 内 腔, 以 及 30 度 到 15 度 的 倾 角, 使 得 飞 机 发 动 机 的 气 膜 冷 却 孔 加 工 面 临 重 大 挑 战, 如 图 2 所 示, 概 括 起 来 有 : 1. 如 何 穿 越 TBC 等 陶 瓷 层 和 高 温 合 金 层, 高 速 打 孔 的 同 时, 又 保 证 不 出 现 微 裂 纹 不 同 层 间 不 出 现 层 裂 孔 周 边 热 影 响 区 在 可 控 范 围 内 等 ; 2. 如 何 实 现 大 倾 角 ( 小 于 20 度 ) 的 高 质 量 孔 加 工 ; 3. 如 何 避 免 孔 打 通 后 所 用 加 工 能 量 首 部 住, 产 生 背 面 损 伤 问 题 ; 4. 如 何 精 确 实 现 3D 异 型 孔, 进 一 步 提 高 能 量 效 率 如 图 3 所 示, 发 动 机 叶 片 在 GE 公 司 从 70 年 代 就 开 始 使 用 各 种 异 型 冷 却 孔, 发 动 机 的 整 体 冷 却 效 率 从 50 年 代 的 0.1 发 展 到 2012 年 的 0.6 以 上, 提 高 了 6 倍 之 多 [4] 发 动 机 异 型 孔 相 比 常 规 直 孔 的 加 工 要 困 难 很 多, 中 国 国 内 正 处 于 攻 关 阶 段 常 规 直 孔 冷 却 孔 加 工 一 般 采 用 毫 秒 量 级 的 大 脉 冲 能 量 激 光 器, 而 3D 异 型 孔 则 需 要 结 合 短 脉 冲 激 光 的 精 细 加 工 与 长 脉 冲

激 光 的 快 速 穿 透 能 力, 或 者 能 够 解 决 短 脉 冲 激 光 的 速 度 和 深 度 能 力 问 题, 实 现 单 部 异 型 孔 加 工 另 外, 发 动 机 叶 片 上 需 要 打 超 深 冷 却 通 道 或 超 深 冷 却 孔, 这 些 孔 的 典 型 尺 寸 在 直 径 1-5 毫 米, 深 200 毫 米 以 上 [5], 如 图 4 所 示 这 些 冷 却 孔 用 于 从 叶 片 安 装 端 导 入 气 流 为 了 提 高 冷 却 效 率, 孔 内 壁 往 往 要 求 非 光 滑 通 道 此 外, 国 外 公 司 已 经 应 用 异 型 超 深 冷 却 孔 制 造 技 术 如 图 4 所 示, 使 用 非 圆 超 深 孔 可 以 有 效 利 用 叶 片 的 空 间, 既 保 证 叶 片 强 度 ( 要 求 孔 周 边 有 足 够 多 的 材 料 ), 有 尽 可 能 争 取 大 的 气 体 通 量 ( 要 求 大 的 截 面 积 ) 这 样, 随 着 叶 片 位 置 不 同, 变 换 孔 形 状 的 冷 却 孔 就 能 够 在 不 改 动 叶 片 外 形 的 情 况 下 获 得 10% 以 上 的 额 外 冷 却 效 果 这 样 的 新 打 孔 技 术 必 须 引 起 国 内 发 动 机 和 燃 气 轮 机 研 发 单 位 的 重 视, 否 则, 所 生 产 发 动 机 将 因 此 产 生 性 能 代 差 上 述 挑 战 使 得 发 动 机 先 进 冷 却 孔 加 工 成 为 当 今 工 程 领 域 的 尖 端 技 术, 被 誉 为 现 代 制 造 皇 冠 上 的 明 珠 图 1 叶 片 与 飞 机 发 动 机 [ 图 片 引 自 网 络 ] 图 2 发 动 机 叶 片 冷 却 孔 加 工 面 临 的 技 术 挑 战

图 3 GE 公 司 飞 机 发 动 机 气 膜 冷 却 孔 的 演 化 历 史 [4] 图 4 发 动 机 叶 片 超 深 异 型 孔 加 工 的 重 大 意 义 左 图 引 自 [5] 当 前 冷 却 孔 加 工 的 竞 争 焦 点 是 : (1) 如 何 实 现 可 靠 穿 越 陶 瓷 层 的 单 步 异 型 孔 加 工 : 用 短 脉 冲 激 光 实 现 3D 异 型 并 能 够 实 现 大 厚 度 穿 越, 速 度 必 须 能 够 为 工 业 界 接 受, 另 外 需 要 妥 善 解 决 加 工 损 伤 问 题 此 外, 进 一 步 突 破 加 工 倾 角 限 制, 实 现 10-20 度 倾 角 的 无 背 伤 加 工 (2) 如 何 实 现 超 深 异 型 孔 加 工 : 突 破 激 光 加 工 的 深 度 极 限 目 前 国 外 已 经 用 混 合 工 艺 实 现 了 超 深 异 型 孔 加 工, 国 内 尚 处 于 空 白 理 想 地, 应 该 实 现 激 光 为 主 的 任 意 形 状 的 超 深 异 型 孔 加 工 这 需 要 激 光 工 艺 突 破 100 毫 米 加 工 深 度 并 保 持 足 够 的 加 工 分 辨 率 (3) 如 何 针 对 陶 瓷 基 复 合 材 料 单 晶 金 属 等 下 一 代 叶 片 材 料 加 工 出 气 膜 孔 和 超 深 孔 : 这 些 新 材 料 是 下 一 代 飞 机 发 动 机 性 能 提 升 的 关 键 我 国 CMC 发 动 机 叶 片 正 在 研 发 中, 美 国 已 经 量 产 中 国 必 须 对 此 领 域 加 大 研 发, 以 免 技 术 差 距 拉 大 下 边 报 告 本 团 队 在 孔 加 工 领 域 的 一 些 进 展

2.2 激 光 单 步 异 型 孔 加 工 的 一 些 进 展 经 过 多 年 演 化, 为 了 实 现 特 定 的 冷 却 功 能, 异 型 冷 却 孔 形 状 复 杂, 跨 越 TBC 和 合 金 层 /CMC 层 要 实 现 如 图 5 所 示 的 3D 复 杂 形 状, 就 必 须 拥 有 平 面 分 辨 率 在 100 微 米 以 内,Z- 向 分 辨 率 在 10 微 米 以 内 的 加 工 能 力 毫 秒 脉 冲 激 光 器 被 广 泛 用 于 打 通 孔, 分 辨 率 远 远 不 够, 热 影 响 偏 大, 但 加 工 速 度 高 国 际 上 近 年 来 有 将 短 脉 冲 与 长 脉 冲 结 合 的 加 工, 但 不 够 理 想 最 好 是 能 够 用 一 台 短 脉 冲 激 光 实 现 全 部 异 型 孔 加 工 任 务, 满 足 速 度 低 损 伤 和 精 度 要 求 图 5 团 队 设 计 的 3D 异 型 孔 ( 左 ) 及 在 单 晶 高 温 合 金 铝 合 金 CMC 石 墨 等 多 种 材 料 上 成 功 加 工 出 高 质 量 的 三 维 异 型 孔, 孔 倾 斜 度 在 30-12 度 之 间 ( 右 ) 为 此, 中 科 院 团 队 自 2012 年 8 月 起, 启 动 了 高 速 皮 秒 / 纳 秒 微 细 加 工 项 目 如 图 6 所 示, 采 用 自 主 研 发 的 5 轴 联 动 精 密 定 位 结 合 2 轴 扫 描 振 镜 快 速 扫 描 的 大 布 局, 并 通 过 自 主 研 发 的 针 对 异 型 孔 分 层 CAM 的 软 件 系 统 ( 图 7), 成 功 地 在 单 晶 高 温 合 金 铝 合 金 CMC 石 墨 等 多 种 材 料 上 成 功 加 工 出 高 质 量 的 三 维 异 型 孔, 孔 倾 斜 度 在 30-12 度 之 间 目 前 正 在 进 一 步 改 进 加 工 速 度 和 加 工 深 度 能 力, 多 项 原 创 性 专 利 正 在 申 请 中 异 型 孔 的 测 量 本 身 是 一 大 挑 战 传 统 的 冷 却 孔 加 工 一 般 采 用 量 具 类 针 头 测 试, 比 较 粗 糙, 不 适 合 异 型 孔 要 持 续 提 高 质 量 就 必 须 拥 有 数 字 化 精 密 测 量 的 能 力 团 队 使 用 了 KEYENCE 激 光 共 聚 焦 显 微 镜, 对 加 工 的 异 型 孔 上 部 进 行 了 XYZ 分 辨 率 0.5 微 米 以 内 的 精 密 测 量, 能 够 提 取 圆 弧 角 加 工 面 粗 糙 度 等 质 量 信 息 国 外 针 对 TBC 界 面 质 量 检 测 还 采 用 高 分 辨 率 工 业 CT 和 IR 缺 陷 探 测 等 方 法, 值 得 我 们 借 鉴

图 6 中 科 院 张 文 武 团 队 自 主 开 发 5+2 轴 异 型 孔 短 脉 冲 激 光 加 工 系 统 图 7 团 队 初 步 开 发 出 了 CAD-CAE-CAM 的 激 光 3D 异 型 孔 加 工 自 主 软 件 系 统 图 8 利 用 激 光 共 聚 焦 显 微 镜 对 3D 异 型 孔 进 行 精 密 数 字 化 测 量 异 型 冷 却 孔 的 设 计 优 化 需 要 借 重 流 固 耦 合 的 气 动 仿 真 和 真 实 样 件 的 实 验 验 证 作 者 了 解 到, 国 内 对 冷 却 孔 的 加 工 质 量 提 出 了 非 常 苛 刻 的 要 求, 比 如 要 求 近 似 于 零 的 热 影 响 区 等 这

样 一 来, 几 乎 只 有 飞 秒 激 光 才 能 胜 任 未 来 的 冷 却 孔 加 工 任 务 这 样 的 要 求 未 必 合 理, 因 为 超 短 脉 冲 激 光 加 工 成 本 使 用 的 稳 定 性 及 其 深 度 能 力 有 待 进 一 步 改 进 检 验 冷 却 孔 水 平 的 最 终 评 判 标 准 应 该 是 其 气 动 流 量 和 附 着 叶 片 表 面 的 能 力, 以 及 是 否 胜 任 一 定 时 间 的 服 役 要 求, 过 高 的 要 求 反 而 是 一 种 无 益 的 浪 费 研 究 表 明, 异 型 孔 的 某 些 局 部 倾 角 圆 弧 角 等 对 气 动 性 能 和 冷 却 效 率 有 巨 大 影 响 图 9-10 比 较 了 普 通 直 孔 和 优 化 后 的 异 型 孔 其 流 场 分 布 情 况 可 以 清 晰 地 看 出 来, 直 孔 的 气 体 附 着 面 积 远 远 小 于 异 型 孔, 相 差 10 倍 以 上 异 型 孔 由 于 其 特 殊 设 计, 还 出 现 明 显 的 周 边 覆 盖 的 倾 向 这 意 味 着, 可 以 用 较 稀 疏 的 异 型 孔 取 代 密 集 的 直 孔, 获 得 等 效 或 更 优 的 气 膜 冷 却 效 果 较 少 的 冷 却 孔 意 味 着 加 工 时 间 的 减 少 和 叶 片 可 靠 性 及 强 度 的 提 高, 一 举 多 得 图 9 团 队 用 ANSYS 软 件 对 普 通 直 孔 和 优 化 后 的 异 型 孔 进 行 流 体 传 输 分 析 ( 左 ) 直 孔 的 剖 面 速 度 场 ;( 右 ) 异 型 孔 的 剖 面 速 度 场 图 10 普 通 直 孔 和 优 化 后 的 异 型 孔 气 体 表 面 附 着 能 力 比 较, 流 场 位 于 工 件 上 0.5 毫 米 ( 左 ) 直 孔 ;( 右 ) 异 型 孔 短 脉 冲 激 光 器 通 过 快 速 扫 描, 可 以 有 效 地 分 散 激 光 加 工 热 量, 实 现 传 统 上 脆 性 材 料 的 加 工 图 11 展 示 了 团 队 对 石 英 和 CMC 的 3D 精 密 加 工 能 力 通 过 工 艺 优 化, 加 工 样 件 避 免 了 微 裂 纹 的 产 生 在 CMC 工 件 上, 团 队 实 现 了 0.125 毫 米 穿 透 3 毫 米 样 件 的 微 孔 加 工, 加 工 的 XY

向 分 辨 率 在 50 微 米 左 右,Z 向 则 达 到 5 微 米 左 右, 可 以 对 CMC 进 行 精 密 3D 雕 刻, 如 图 11 种 的 三 角 形 区 域 所 示 图 11 利 用 短 脉 冲 激 光 对 石 英 陶 瓷 基 复 合 材 料 等 脆 性 材 料 进 行 高 质 量 3D 加 工 上 述 技 术 进 展 对 实 现 穿 越 TBC 的 单 步 异 型 孔 加 工 奠 定 了 硬 件 软 件 基 础 团 队 目 前 正 在 进 一 步 提 高 加 工 速 度 和 加 工 深 度, 完 善 设 计 和 仿 真 平 台, 积 累 工 艺 参 数, 将 深 度 补 偿 嵌 入 加 工 程 序, 打 造 自 动 化 程 度 更 高 的 智 能 化 专 用 孔 加 工 系 统 2.3 旨 在 突 破 激 光 加 工 极 限 的 新 型 水 助 激 光 加 工 技 术 图 12 传 统 加 工 与 水 助 激 光 加 工 [] 如 图 12 所 示, 传 统 的 激 光 加 工 使 用 远 远 大 于 焦 点 直 径 的 光 学 系 统 汇 聚 激 光, 由 于 光 能 量 的 X 形 状 空 间 分 布 以 及 侧 壁 光 强 衰 减 效 应, 传 统 激 光 加 工 很 难 避 免 加 工 锥 度, 导 致 激 光 加 工 固 有 的 深 度 极 限, 即 使 是 平 行 光 垂 直 照 射 也 不 行 当 然 可 以 通 过 倾 斜 激 光 进 行 一 定 的 锥 度 补 偿, 但 这 样 子 系 统 复 杂, 使 用 不 便, 对 深 度 能 力 提 升 有 限 目 前, 激 光 加 工 的 深 度 一 般 不 超 过 20 毫 米, 少 数 例 子 突 破 了 50 毫 米 左 右, 需 要 凭 借 大 功 率 激 光 脉 冲 激 光 器 在 工 件 表

层 的 加 工 效 率 是 很 高 的, 但 是 随 着 深 度 的 增 加, 材 料 去 除 能 力 急 剧 下 降 用 皮 秒 / 飞 秒 激 光 器 打 1 毫 米 深 的 孔 还 算 经 济 可 行, 超 过 3 毫 米 就 需 要 仔 细 斟 酌, 超 过 10 毫 米 用 常 规 方 法 则 几 乎 不 可 行 而 发 动 机 冷 却 孔 加 工 需 要 倾 斜 20-30 度 穿 越 约 1-4 毫 米 厚 的 材 料, 激 光 加 工 等 效 厚 度 往 往 超 过 5 毫 米 另 一 方 面, 脉 冲 激 光 器 的 平 均 功 率 已 经 突 破 100 瓦, 本 团 队 就 在 使 用 300 瓦 功 率 的 皮 秒 激 光 系 统 这 样 高 的 功 率 意 味 着 潜 在 的 超 高 速 微 细 加 工 能 力 但 要 应 用 到 飞 机 发 动 机 冷 却 孔 加 工 领 域, 则 必 须 妥 善 解 决 其 深 度 极 限 问 题, 否 则, 勉 强 为 之, 只 会 使 热 效 应 聚 集, 甚 至 出 现 热 影 响 区 反 而 不 如 长 脉 冲 激 光 的 现 象 突 破 传 统 激 光 加 工 深 度 极 限 的 有 效 途 径 之 一 就 是 以 固 体 光 导 为 特 色 的 水 助 激 光 加 工 技 术 如 图 12C,F 所 示, 通 过 压 力 腔 将 水 从 一 种 特 殊 的 中 空 光 纤 中 喷 射 而 出, 激 光 从 光 纤 入 射 端 耦 合 进 入, 通 过 全 反 射 传 输 到 加 工 端 水 流 保 持 了 加 工 端 的 持 续 透 明 度, 可 以 把 加 工 粉 尘 带 走, 又 可 以 快 速 冷 却 激 光 加 工 带 来 的 不 必 要 热 效 应 在 激 光 作 用 的 瞬 时, 水 冷 却 效 应 可 以 忽 略 不 计, 材 料 高 速 去 除, 激 光 脉 冲 一 结 束, 则 水 流 冷 却 和 冲 刷 效 应 居 主 要 地 位 理 想 地, 该 技 术 可 以 象 机 械 钻 头 EDM 和 超 声 加 工 头 一 样, 持 续 钻 入 材 料, 实 现 突 破 常 规 加 工 深 度 极 限 的 加 工 以 532 纳 米 为 例, 激 光 在 水 中 的 传 输 强 度 可 以 超 过 4GW/cm 2, 有 效 传 输 距 离 可 以 超 过 22 米 这 意 味 着 该 技 术 的 深 度 潜 力 远 远 超 过 1 米! 脉 冲 激 光 的 瞬 态 高 效 率 如 果 得 到 持 续 发 挥, 将 超 越 其 它 能 量 形 式 上 述 技 术 由 张 文 武 博 士 在 GE 公 司 发 明 [6] 图 12B 和 D 比 较 了 纳 秒 激 光 对 金 属 的 加 工 明 显 地, 水 助 激 光 加 工 彻 底 消 除 了 表 面 堆 积 溅 射 现 象, 孔 壁 还 呈 现 出 激 光 冲 击 强 化 的 痕 迹 仿 真 表 明, 这 样 加 工 的 孔 周 边 可 望 分 布 压 应 力, 对 提 高 孔 加 工 的 抗 疲 劳 特 性 有 很 大 好 处 [7-8] 水 助 激 光 加 工 的 另 一 个 变 异 是 欧 洲 SYNOVA 公 司 的 MICROJET 技 术 [9], 该 技 术 以 空 气 中 的 层 流 水 柱 为 光 导, 相 对 于 传 统 加 工 有 一 些 优 势, 但 对 突 破 激 光 加 工 的 深 度 极 限 贡 献 有 限, 因 为 一 旦 深 入 材 料, 则 光 导 效 应 消 失, 本 质 上, 该 技 术 属 于 宏 观 光 学 体 外 加 工 类 型, 与 传 统 加 工 区 别 不 大 能 深 入 材 料 的 液 核 光 纤 激 光 加 工 技 术 则 不 一 样, 具 备 大 大 突 破 激 光 加 工 深 度 极 限 的 潜 力 该 技 术 已 经 在 GE 获 得 应 用, 比 如 用 于 水 下 加 工 有 毒 的 晶 体 材 料 CZT 等 目 前, 该 技 术 已 经 实 现 了 钻 入 材 料 3 毫 米 图 13 中 科 院 团 队 在 水 助 激 光 加 工 领 域 的 最 新 进 展 无 论 是 GE 技 术 还 是 SYNOVA 技 术 都 存 在 强 激 光 耦 合 可 靠 性 差, 分 辨 率 有 限, 最 高 传 输 能 量 有 限 的 技 术 障 碍 为 此, 中 科 院 团 队 正 在 积 极 研 发 下 一 代 水 助 激 光 加 工 技 术, 从 原 理 上 突 破 上 述 难 关 图 13 为 团 队 的 验 证 系 统 其 核 心 是 采 用 气 包 水 的 专 利 技 术, 如 图 14 所 示

图 14 微 细 气 包 水 加 工 技 术 [ 已 经 申 请 专 利 ] 理 论 上 可 以 实 现 10 微 米 分 辨 率 的 激 光 耦 合 和 加 工 同 样 的 技 术 思 路, 可 以 用 于 提 高 水 射 流 加 工 的 分 辨 率 目 前, 普 通 水 射 流 加 工 的 分 辨 率 在 0.5 毫 米 以 上, 国 外 已 经 使 用 微 细 水 射 流 技 术 加 工 发 动 机 冷 却 孔, 如 图 15 所 示, 微 细 水 射 流 的 分 辨 率 达 到 80-100 微 米, 但 该 技 术 对 中 国 出 口 限 制 国 内 目 前 微 细 水 射 流 研 究 处 于 空 白 状 态, 最 新 的 2014 年 863 水 射 流 研 究 指 标 为 突 破 0.5 毫 米 分 辨 率 本 团 队 已 经 着 手 联 合 国 内 又 是 单 位, 展 开 超 越 50 微 米 分 辨 率 的 微 细 水 射 流 加 工 技 术 研 究 该 领 域 的 突 破, 可 以 极 大 便 利 没 有 热 影 响 的 微 细 加 工 对 飞 机 发 动 机 孔 加 工 来 说, 水 射 流 加 工 是 国 外 正 在 大 力 推 进 的 技 术 前 沿 中 国 业 界 应 该 引 起 足 够 重 视 图 15 由 微 细 水 射 流 加 工 出 的 22 度 倾 角 0.5 毫 米 直 径 穿 越 TBC 的 发 动 机 冷 却 孔 [Ch5, Ref 3] 3. 新 一 代 激 光 冲 击 强 化 (LSP) 技 术 飞 机 发 动 机 叶 片 高 速 旋 转, 服 役 期 间 经 受 交 变 机 械 应 力 和 热 应 力, 起 飞 和 降 落 时 又 面 临 异 物 冲 击 的 危 险 发 动 机 的 大 修 周 期 与 叶 片 的 可 靠 性 紧 密 相 关 叶 片 失 效 的 一 大 类 型 是 表 面 的 裂 纹, 而 限 制 微 裂 纹 扩 展 的 有 效 手 段 是 提 高 材 料 的 硬 度 和 施 加 压 应 力 激 光 冲 击 强 化 处 理 [10] 已 经 被 证 明 可 以 有 效 提 高 叶 片 疲 劳 寿 命 6 倍 以 上 美 国 GE 公 司,LSP Technology 公 司 等 已 经 将 该 技 术 商 业 化 应 用 于 飞 机 发 动 机 和 燃 气 轮 机 的 叶 片 强 化 处 理 上 中 国 已 经 在 尝 试 飞 机 发 动 机 叶 片 的 强 化 处 理, 但 应 用 尚 不 成 熟 这 是 中 国 国 产 发 动 机 大 修 周 期 远 远 落 后 于 美 国 的 重 要 原 因 之 一 如 图 16 所 示, 传 统 的 LSP 处 理 需 要 在 处 理 表 面 贴 敷 吸 收 保 护 层, 侧 面 喷 水 形 成 透 明 介 质 惯 性 约 束 层, 然 后 将 高 强 度 激 光 穿 过 水 膜 作 用 于 吸 收 层, 产 生 高 密 度 等 离 子 体, 等 离 子 体 快 速 膨 胀 被 惯 性 约 束 层 反 制, 产 生 远 远 高 于 材 料 屈 服 强 度 的 冲 击 波, 导 致 材 料 塑 性 变 形, 晶

粒 细 化, 硬 度 上 升, 表 面 最 终 呈 压 应 力 分 布, 利 于 提 高 抗 疲 劳 特 性 [11] 图 16 传 统 的 激 光 冲 击 强 化 原 理 及 建 模 [11] 由 于 采 用 侧 面 水 膜 需 要 预 贴 吸 收 保 护 层 等 原 因, 传 统 LSP 技 术 稳 定 性 差, 可 靠 性 差, 使 用 不 便 图 17 新 一 代 冲 击 强 化 原 理 图 传 统 LSP 技 术 需 要 使 用 短 脉 冲 焦 耳 以 上 级 的 激 光 器, 一 般 重 复 频 率 在 10HZ 左 右 侧 面 喷 水 形 成 水 膜 受 位 置 影 响 很 大, 贴 膜 存 在 气 孔 异 物 等 潜 在 质 量 缺 陷, 高 强 度 激 光 存 在 稳 定 性 和 高 成 本 问 题, 整 体 系 统 灵 活 性 欠 缺 此 外, 水 膜 约 束 还 存 在 部 分 冲 击 能 量 浪 费, 耦 合 效 率 偏 低 的 固 有 缺 陷 针 对 此, 中 科 院 团 队 发 明 了 图 17 所 示 的 新 一 代 激 光 冲 击 强 化 专 利 技 术 该 技 术 通 过 谐 振 腔 体 持 续 向 工 件 喷 水 和 流 动 的 吸 收 层, 同 轴 水 流 可 以 不 受 工 件 位 置 影 响 保 障 惯 性 约 束, 随 动 的 保 护 介 质 避 免 了 多 次 铺 设 保 护 层 的 繁 琐 工 序 和 质 量 隐 患, 整 体 系 统 的 灵 活 性 大 大 增 加 谐 振 腔 的 使 用, 可 以 提 高 能 量 耦 合 效 率, 也 更 好 地 保 障 了 光 学 系 统 的 稳 定 性, 避 免 了 传 统 方 法 的 溅 射 烦 恼 团 队 已 经 展 开 了 相 应 的 仿 真 分 析 和 样 机 研 制 工 作, 限 于 篇 幅, 不 做 详 细 介 绍 结 束 语 : 发 动 机 与 智 能 能 量 场 制 造 发 动 机 制 造 涉 及 很 多 领 域, 包 括 材 料, 设 计, 工 艺, 质 量 检 测 等 等 西 方 国 家 的 发 动 机 制 造 也 曾 经 面 临 一 系 列 质 量 问 题 和 工 艺 问 题, 以 GE 公 司 为 代 表, 国 外 发 动 机 生 产 厂 家 普 遍 使 用 了 基 于 全 局 优 化 的 现 代 化 质 量 管 理 体 系, 将 质 量 通 过 设 计 和 工 艺 来 保 障 典 型 的 工 程 管 理 系 统 是 DFSS-Design For Six Sigma, 通 过 系 统 化 收 集 用 户 和 设 计 需 求, 科 学 地 分 配 各 项 指 标, 保 障 大 系 统 的 最 终 总 体 质 量 和 可 靠 性 可 以 说, 当 系 统 复 杂 到 一 定 程 度 后, 这 样 的 现 代 工 程

方 法 和 管 理 体 系 是 生 产 高 质 量 产 品 的 唯 一 出 路 因 此, 在 我 们 谈 及 提 高 工 艺 水 平 的 同 时, 必 须 重 视 现 代 工 程 方 法 的 深 入 贯 彻 和 实 施, 否 则, 将 很 难 解 开 艰 苦 奋 斗 却 无 法 缩 小 差 距 的 症 结 此 外, 发 动 机 生 产 对 制 造 工 艺 提 出 了 诸 多 挑 战, 本 文 重 点 讨 论 了 激 光 加 工, 但 现 实 环 境 中, 各 种 工 艺 都 参 与 竞 争 就 冷 却 孔 加 工 来 讲, 电 火 花 加 工 尽 管 热 影 响 较 大, 但 由 于 可 以 更 好 地 解 决 背 部 损 伤 问 题 和 锥 度 问 题, 加 上 可 以 并 行 加 工, 对 激 光 孔 加 工 形 成 重 大 挑 战 ; 旋 转 射 流 ECM 加 工 则 是 目 前 加 工 超 深 孔 的 唯 一 工 艺, 但 超 深 异 型 孔 的 ECM 加 工 则 可 以 借 助 于 激 光 技 术 面 对 这 种 竞 争 态 势, 人 们 往 往 采 取 保 守 的 态 度, 强 化 单 独 工 艺, 以 扩 大 自 身 相 关 工 艺 的 地 盘 另 一 种 更 有 前 途 的 思 路 则 是 : 对 各 种 能 量 场 一 视 同 仁, 以 寻 求 工 程 的 最 优 解 为 追 求, 适 度 将 各 种 能 量 场 融 合, 以 最 小 的 代 价 穿 越 工 程 障 碍 [12-13] 本 文 介 绍 的 水 助 激 光 加 工 就 是 一 个 典 型 的 多 能 场 融 合 加 工 案 例 激 光 加 工 并 非 那 么 特 殊, 各 种 能 量 场 各 有 优 缺, 多 种 能 量 场 的 有 效 融 合 才 是 未 来 先 进 制 造 的 发 展 方 向 特 种 加 工 总 体 上 固 步 自 封 为 特 殊 群 体, 产 业 产 值 和 应 用 范 围 一 直 有 限 其 实, 我 们 应 该 尽 快 跨 过 特 种 与 传 统 之 间 的 障 碍, 根 据 工 程 的 需 要, 探 索 集 成 优 化 控 制 多 种 能 量 场 的 规 律, 实 现 工 程 目 的 这 正 是 智 能 能 量 场 制 造 的 真 谛 [3] 利 用 智 能 能 量 场 制 造 的 理 念 推 进 跨 学 科 工 艺 创 新, 对 中 国 的 发 动 机 生 产 有 重 大 价 值 参 考 资 料 : [1] http://en.wikipedia.org/wiki/aircraft_engine [2] 张 伟, 航 空 发 动 机, 航 空 工 业 出 版 社,2008 [3] Zhang, Wenwu, Intellient Energy Field Manufacturing and Interdisciplinary Process Innovations, CRC Press, 2010, New York. [4] Bunker, Ronald S., Turbine Engine Film Cooling Design and Applications, IGTI-VKI Turbo Expo Workshop, June 13, 2010. [5] 傅 军 英, 张 明 岐, 深 细 孔 与 超 深 孔 电 化 学 加 工 技 术 应 用 分 析, 电 加 工 与 模 具, 2012: 35-37 [5] Zhang, Wenwu; Tkaczyk, J. Eric; Andreini, Kristian; Hayashi, Steven R.; Garg, Nitin; Bednarczyk, Peter J.; Jiang, Haochuan, 2010, Process competition in the micromachining of brittle components, 4 th Pacific International Conference on Applications of Lasers and Optics, PICALO 2010, Wuhan, China. [6] Zhang, Wenwu, US7211763B2 Photon energy material processing using liquid core waveguide [7]Zhang, Wenwu and Yao, Y. Lawrence, 2001, "Feasibility Study of Inducing Desirable Residual Stress Distribution in Laser Micromachining," Transactions of NAMRI/SME, Vol. XXIX, 2001, pp. 413-420 [8] Zhang, Wenwu. and Yao, Y. Lawrence., 2000, "Improvement of laser induced residual stress distributions via shock waves," ICALEO'2000, Laser Material Processing, Vol. 89, pp. E183-192. [9] Synova 公 司 网 站 http://www.synova.ch/ [10] Clauer, A. H., et al., 1981, "Effects of laser induced shock waves on metals," Shock Waves and High Strain Phenomena in Metals-Concepts and Applications, New York, Plenum, 1981, pp. 675-702

[11] Zhang, Wenwu, and Yao, Y. Lawrence, Micro-scale Laser Shock Processing of Metallic Components, ASME Trans. J. of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 124, No. 2, May 2002, pp. 369-378. [12] Rajurkar, K. P., Ross, R.F., Wei, B., Kozak, J., and Williams, 1992, "The Role of Nontraditional Manufacturing Processes in Future Manufacturing Industries," Manufacturing International, 1992, ASME, pp. 23-37. [13] Zhang,Wenwu, Yao, Y Lawrence, Cheng, Gary et al., http://www.aml.engineering.columbia.edu/ntm/ 第 一 作 者 及 通 讯 作 者 张 文 武, 浙 江 省 宁 波 市 镇 海 区 中 官 西 路 1219 号,315201,zhangwenwu@nimte.ac.cn 简 介 : 张 文 武,2002 年 美 国 哥 伦 比 亚 大 学 机 械 专 业 博 士 中 组 部 千 人, 中 科 院 宁 波 工 业 技 术 研 究 院 先 进 制 造 所 副 所 长, 高 级 研 究 员, 中 国 机 械 工 程 学 会 特 种 加 工 委 员 会 常 务 理 事 曾 在 GE 公 司 美 国 全 球 研 发 中 心 工 作 10 余 年, 从 事 飞 机 发 动 机 打 孔 复 合 材 料 加 工, 激 光 冲 击 强 化 等 研 究 学 术 上 倡 导 智 能 能 量 场 制 造

Two Big Applications of lasers in Aircraft Engine Manufacturing Cooling Hole Drilling and Laser Shock Peening Wenwu Zhang, Tianrun Zhang, Chunhai Guo, Liang Ruan, Junke Jiao, Yang Yang, and Lu Liu Laser and Intelligent Energy Field Manufacturing Group, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Science Communication Author: wenwu zhang zhangwenwu@nimte.ac.cn Abstract: This paper focuses on the discussion of the progress and applications of laser hole drilling and laser shock peening technologies in the area of aircraft engine manufacturing. This paper first reviews the history of aircraft engine blade cooling hole design and machining, pointing out many of the challenges in machining irregular cooling holes through multiple layers of materials. The advantages and disadvantages of competing processes are introduced, followed by the discussion of technical routes of single step irregular cooling hole drilling; the latest progress of the team in this area is reported; Water-assisted machining technology and its potential of breaking the limits of laser material processing are reported. This paper then discusses the significance of laser shock peening to the improvement of engine blade fatigue life, revealed the potential of next-generation LSP towards improving the consistency, reliability and usability of the current LSP processes. Finally it is pointed out that laser and other non-traditional processes should integrate with other processes to seek the optimal solutions for engineering challenges in the aim of accelerating technological innovations. This is the essence of Intelligent Energy Field Manufacturing. Keywords: Aircraft engines, blade, laser processing, cooling hole, irregular hole, laser shock peening, water assisted laser processing, intelligent energy field manfuacturing