渦輪葉片氣膜孔的納秒-飛秒雙波段激光加工

蔣其麟，曹凱強(qiáng)，陳 龍，馮朝鵬，賈天卿，孫真榮

（華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241）

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中需要承受溫度最高和經(jīng)受熱沖擊最強(qiáng)的零件，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零件之一[1]。常用的渦輪葉片冷卻方法有對(duì)流冷卻、沖擊式冷卻、發(fā)散冷卻和氣膜冷卻。對(duì)流冷卻與沖擊式冷卻通過(guò)氣流沖擊進(jìn)行直接壁面換熱，所需冷卻空氣占比2%～5%，冷卻效率不超過(guò)0.6，冷卻效果能達(dá)到473～523K[2]。發(fā)散冷卻方式通過(guò)疏松多孔材料進(jìn)行壁面“出汗”的方式進(jìn)行冷卻，冷卻效率接近1，冷卻效果能達(dá)到773～1073K[3]。但是這種冷卻方式的冷卻空氣占比達(dá)6%，且存在較多技術(shù)問(wèn)題，例如材料的堵塞會(huì)導(dǎo)致發(fā)散冷卻效果的降低[4]，多孔材料在高溫情況下強(qiáng)度較低的問(wèn)題也尚未解決，目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。氣膜冷卻可以在2%～3%的冷卻空氣占用比的情況下實(shí)現(xiàn)接近1的冷卻效率[5]，是目前渦輪導(dǎo)向與轉(zhuǎn)子葉片的主要冷卻方式。如圖1 所示，氣膜冷卻是將冷卻空氣由葉片頂端導(dǎo)入葉片內(nèi)腔，再通過(guò)葉片壁面上大量的小孔流出，在葉片表面形成一層氣膜，將葉片表面與熾熱的燃?xì)飧糸_(kāi)，達(dá)到冷卻葉片的目的[6]。葉片外表面的靜壓差分布復(fù)雜，小孔位置分布與加工精度都會(huì)影響氣膜的冷卻效率。這些復(fù)雜而精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的工藝才能實(shí)現(xiàn)。

圖1 渦輪葉片氣膜冷卻示意圖Fig.1 Schematic diagram of film cooling of turbine blade

氣膜孔的主要加工方式

電火花加工氣膜孔時(shí)采用電極放電的方式去除材料。電火花加工效率高，但是存在一系列問(wèn)題[7]。首先，孔型錐度不可控。其次，電火花打孔熱效應(yīng)顯著，會(huì)產(chǎn)生較厚的重熔層與較多的微裂紋[8]，如圖2（a）和（b）所示，需要后期通過(guò)磨粒流等方式去除[9]。另外，為了讓葉片達(dá)到更高的工作溫度，會(huì)在表面噴涂不導(dǎo)電的熱障涂層，而電火花無(wú)法直接加工不導(dǎo)電的材料。常規(guī)解決方法是在金屬葉片上使用電火花預(yù)先加工好氣膜孔，然后噴涂熱障涂層，最后進(jìn)行氣膜孔重開(kāi)或是使用復(fù)合加工工藝[10]，不但工序復(fù)雜，還會(huì)降低葉片的整體強(qiáng)度。另外，電火花加工機(jī)的電極容易損壞，降低了實(shí)際生產(chǎn)效率。

長(zhǎng)脈沖激光加工氣膜孔（圖2（c）和（d））是通過(guò)不斷將激光能量沉積到材料中，使得加工區(qū)域熔化、汽化。然而，由于脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，熱效應(yīng)明顯，加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較厚的重熔層。雖然加工效率高，但是整體精度較低。

圖2 電火花與納秒–飛秒加工氣膜孔對(duì)比Fig.2 Comparison of film cooling holes processed by electrical discharge machining and nanosecond–femtosecond laser

目前前沿技術(shù)是采用超快激光加工氣膜孔[11]，超快激光是指脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒及以下的激光。由于其超高的峰值功率可以讓加工區(qū)域瞬間汽化，材料以等離子體的形式噴發(fā)去除，加工過(guò)程中幾乎不會(huì)導(dǎo)致重熔層與微裂紋的產(chǎn)生[12]，并且激光的焦斑可以匯聚到微米量級(jí)，所以在加工過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)精確的孔型控制。目前存在的問(wèn)題是超快激光器采購(gòu)成本較高，且平均功率較低，使得整體加工效率不高。

渦輪葉片氣膜孔加工存在的技術(shù)難點(diǎn)

氣膜孔在渦輪葉片上分布復(fù)雜，孔與孔之間的間隔最小處在百微米量級(jí)，孔的方位角與定位精度要求極高，定位不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致氣膜孔之間的內(nèi)壁交叉[13]，造成氣膜不均勻，極大影響氣膜冷卻效率，所以在加工氣膜孔時(shí)需要準(zhǔn)確的定位技術(shù)。傳統(tǒng)的渦輪葉片氣膜孔采用球形定位方式，此定位方式無(wú)法避免渦輪葉片自身鑄造帶來(lái)的誤差且無(wú)法在未進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的情況下實(shí)現(xiàn)渦輪葉片上所有的氣膜孔加工[14]。非接觸式定位是研究的熱點(diǎn)[15]，航空加工中采用自適應(yīng)定位技術(shù)，取得了較好的加工精度，但是還是無(wú)法完全避免加工與測(cè)量過(guò)程中帶來(lái)的個(gè)體誤差[16]。

氣膜孔加工過(guò)程中產(chǎn)生的重熔層與微裂紋不僅會(huì)導(dǎo)致冷卻氣流的紊亂，還會(huì)造成葉片強(qiáng)度下降，直接影響渦輪葉片的使用壽命[17]。在加工過(guò)程中要保證孔型的精確可控，氣膜孔實(shí)際加工誤差必須在孔徑、錐度、圓度等參數(shù)上均達(dá)到理論設(shè)計(jì)的可接受范圍，所以先進(jìn)的加工工藝與過(guò)程控制十分重要。

新型材料的發(fā)展也給氣膜孔加工技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。目前國(guó)際上已經(jīng)選定陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic matrix composite，CMC）作為下一代渦輪葉片的主要材料[18]，它是一種高強(qiáng)度、耐高溫的不導(dǎo)電材料。電火花等加工工藝已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新材料的加工需求。

本研究提出了一套基于納秒–飛秒雙波段激光加工氣膜孔的方法，配合三維掃描儀進(jìn)行精確定位的工藝，實(shí)現(xiàn)了在不銹鋼渦輪葉片上81個(gè)氣膜孔的高精度高質(zhì)量加工。

試驗(yàn)系統(tǒng)

渦輪葉片加工系統(tǒng)（圖3）主要由加工和誤差校正兩部分組成，是一個(gè)整體的閉環(huán)補(bǔ)償加工系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的渦輪葉片氣膜孔加工。

加工系統(tǒng)中，納秒激光器、飛秒激光器和自動(dòng)光路切換模塊可以在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)可控的光路切換功能；四光楔模塊中對(duì)應(yīng)的角度偏轉(zhuǎn)模塊與橫向位移模塊[19]，分別由兩對(duì)光楔組成，高速電機(jī)帶動(dòng)光楔對(duì)旋轉(zhuǎn)，光楔對(duì)可以在光束旋轉(zhuǎn)的同時(shí)控制光楔對(duì)的相對(duì)距離分別調(diào)節(jié)入射光束的偏轉(zhuǎn)角度與橫向位移，對(duì)應(yīng)氣膜孔加工參數(shù)中孔徑與錐度的大小；雙波段掃描場(chǎng)鏡保證光束在掃描范圍內(nèi)不產(chǎn)生畸變，焦距為130mm，能同時(shí)匯聚波長(zhǎng)為532nm 與400nm 的激光；五軸姿態(tài)變換系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)葉片姿態(tài)的精確變換。

誤差校正系統(tǒng)中，三維掃描儀用以獲取實(shí)際氣膜孔的空間坐標(biāo)；工控計(jì)算機(jī)主要用于誤差計(jì)算并將補(bǔ)償值反饋到加工系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)加工代碼的校正。

結(jié)果與討論

1 渦輪葉片氣膜孔的參數(shù)提取

渦輪葉片氣膜孔主要分布于葉前緣、葉盆、葉背區(qū)域。冷卻氣流從葉片底部進(jìn)入葉片內(nèi)部，先流經(jīng)帶有擾流肋的冷卻通道對(duì)葉壁進(jìn)行冷卻，之后主氣流分成3 個(gè)通道，第1 個(gè)通道主要對(duì)渦輪葉片前緣區(qū)域進(jìn)行沖擊冷卻，并隨葉前緣的孔排出，實(shí)現(xiàn)前緣區(qū)域冷卻；第2 個(gè)通道的氣流通過(guò)葉片中間區(qū)域（葉盆，葉背）的氣膜孔排出在表面形成氣流保護(hù)膜隔絕外熱；第3 個(gè)通道的氣流通過(guò)葉片尾緣劈縫排出，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)強(qiáng)換熱[20]。圖4 為所需加工渦輪葉片的帶孔三維模型，氣膜孔分為7 組共81 個(gè)氣膜孔，均為與法平面方向有一定夾角（20°～90°）的圓孔，在XOY平面投影直徑范圍為400～450μm。渦輪葉片氣膜孔分布較為密集，在表面與內(nèi)壁上，孔與孔之間的距離也不同，所以在加工之前需要從設(shè)計(jì)好的理論模型上精確提取每個(gè)孔的空間坐標(biāo)，用以生成初始的加工程序代碼。

葉片模型是葉片制造的數(shù)據(jù)依據(jù)。葉片上每一個(gè)氣膜孔的建模是由實(shí)體葉片與一個(gè)圓柱體進(jìn)行布爾運(yùn)算得到，每個(gè)孔都與一個(gè)圓柱相對(duì)應(yīng)。圓柱由圓弧拉伸而成，圓柱的中軸線(xiàn)就是氣膜孔的中軸線(xiàn)，這個(gè)中軸線(xiàn)的方向由一個(gè)指定的點(diǎn)和圓弧的圓心來(lái)確定，即每個(gè)氣膜孔都通過(guò)一個(gè)點(diǎn)和圓弧來(lái)約束，每個(gè)氣膜孔的中軸線(xiàn)和定位點(diǎn)都可以精確獲取。

獲取每個(gè)孔的理論坐標(biāo)后，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)WCS（World coordinate system）坐標(biāo)系的參數(shù)A1（Xn1，Yn1，Zn1，in1，jn1，kn1），其中（Xn1，Yn1，Zn1）為第n個(gè)氣膜孔中心位置坐標(biāo)，（in1，jn1，kn1）表示第n個(gè)氣膜孔的方向向量。WCS 坐標(biāo)系要轉(zhuǎn)換到實(shí)際加工坐標(biāo)系中，要根據(jù)實(shí)際情況引入球坐標(biāo)變換，每個(gè)氣膜孔的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)變換后對(duì)應(yīng)一個(gè)五維坐標(biāo)參數(shù)A2（Xn2，Yn2，Zn2，Theta_An2，Theta_Bn2），（Xn2，Yn2，Zn2）代表平動(dòng)坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)實(shí)際加工系統(tǒng)中X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，（Theta_An2，Theta_Bn2）代表轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的A、C轉(zhuǎn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。每組參數(shù)在實(shí)際加工中約束氣膜孔的絕對(duì)空間姿態(tài)。

圖3 渦輪葉片氣膜孔加工系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of turbine blade film cooling holes processing system

圖4 渦輪葉片理論三維模型Fig.4 Theoretical three-dimensional model of turbine blade

2 渦輪葉片的夾裝與零點(diǎn)校準(zhǔn)

渦輪葉片在加工之前需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的夾具用以實(shí)現(xiàn)加工零點(diǎn)的調(diào)節(jié)（三維平動(dòng)），還要做到加工系統(tǒng)坐標(biāo)系與理論的坐標(biāo)系的對(duì)齊（二維轉(zhuǎn)動(dòng)）（圖5）。五維零點(diǎn)的對(duì)齊是坐標(biāo)系對(duì)齊的重要前提。

首先，夾具的設(shè)計(jì)要做到能迅速、牢固、安全地夾裝工件。榫根將作為渦輪葉片固定的主要特征，對(duì)此設(shè)計(jì)了葉片的專(zhuān)用夾具。 如圖5（a）和 （b）所示，設(shè)計(jì)的夾具中有3 個(gè)自由度限制的器件，1 是定位銷(xiāo)，限制葉片榫根縱向移動(dòng)的自由度； 2 和3為基準(zhǔn)齒，限制榫根橫向的自由度。葉片在理論上裝配完畢后，試驗(yàn)就具有了一個(gè)可靠的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。接下來(lái)進(jìn)行實(shí)際安裝的坐標(biāo)系對(duì)齊。由于Z軸是激光入射的方向，在葉片安裝過(guò)程中不涉及Z軸的運(yùn)動(dòng)，所以坐標(biāo)零點(diǎn)對(duì)齊過(guò)程中只需要將加工坐標(biāo)系的XOY平面零點(diǎn)與理論的XOY平面零點(diǎn)對(duì)齊即可。如圖6（a）所示，選取葉身的特征點(diǎn)，此處選擇葉身4 個(gè)對(duì)角輪廓交點(diǎn)，使用高精度CCD（Charge–coupled device）檢測(cè)模塊進(jìn)行坐標(biāo)采集。通過(guò)多個(gè)特征點(diǎn)可以確定實(shí)際安裝狀態(tài)的零點(diǎn)，再將理論模型的零點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，如圖6（b）所示，確保葉片安裝在加工系統(tǒng)中的位置與理論安裝位置的誤差在合理范圍內(nèi)。為了能精確調(diào)節(jié)手動(dòng)安裝帶來(lái)的誤差，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的調(diào)節(jié)底座，采用精細(xì)螺紋進(jìn)給（250μm/r），調(diào)節(jié)維度為二維調(diào)節(jié)，如圖5（c） 和 （d）所示。

圖5 渦輪葉片的夾持與調(diào)節(jié)Fig.5 Clamping and zero-point coordinates correcting of turbine blade

圖6 加工中的零點(diǎn)坐標(biāo)校正Fig.6 Zero-point coordinates correcting in processing

3 渦輪葉片預(yù)打點(diǎn)與三維掃描儀誤差校準(zhǔn)

實(shí)際加工系統(tǒng)中渦輪葉片預(yù)裝到設(shè)定位置后，由于葉片、夾具、轉(zhuǎn)接件等的自身制造誤差，會(huì)使得理論生成的加工代碼在實(shí)際加工過(guò)程中依舊存在誤差，主要體現(xiàn)在氣膜孔定位誤差以及孔與孔之間的積累誤差。

為了減小以上誤差對(duì)加工帶來(lái)的影響，需要在加工前對(duì)代碼進(jìn)行誤差補(bǔ)償。首先在葉片表面噴涂水溶性顯影劑，將激光調(diào)節(jié)到較弱功率，按照初始理論加工代碼在葉片表面進(jìn)行預(yù)打點(diǎn)工序。如圖7（a）所示，使用三維掃描儀對(duì)葉片進(jìn)行掃描，獲取葉片表面灰度圖像，在軟件中將葉片表面灰度圖像與理論模型對(duì)齊后進(jìn)行誤差分析，再進(jìn)行實(shí)際與理論的氣膜孔中心坐標(biāo)對(duì)比，得到對(duì)應(yīng)氣膜孔在三維空間的誤差。得到的誤差進(jìn)行一定的坐標(biāo)變換后得到加工補(bǔ)償數(shù)據(jù)。如圖7（b）所示，綠圈代表氣膜孔的理論輪廓，紅圈代表氣膜孔的預(yù)打點(diǎn)氣膜孔輪廓，黑色點(diǎn)云區(qū)域?yàn)榧す鉄g區(qū)域，灰色點(diǎn)云代表未燒蝕區(qū)域，實(shí)際加工區(qū)域與理論氣膜孔的誤差在未校正前大于500μm，在進(jìn)行誤差校正后，理論與實(shí)際氣膜孔中心的誤差減小到50μm 以下。50μm為所使用三維掃描儀的精度極限，校正后的誤差達(dá)到了50μm 以下，意味著此方法在理論上已經(jīng)達(dá)到了精度的極限。

圖7 三維掃描儀實(shí)現(xiàn)氣膜孔坐標(biāo)校正Fig.7 Coordinates correcting of film cooling holes by 3D scanner

4 渦輪葉片氣膜孔加工工藝驗(yàn)證

在氣膜孔的加工過(guò)程中，要確保氣膜孔的高效率、高精度加工，先在厚度為2mm 的不銹鋼的板材上進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

首先使用脈沖持續(xù)時(shí)間為90ns、單脈沖能量2mJ、重復(fù)頻率10kHz、波長(zhǎng)為532nm 的激光，利用四光楔對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行螺旋式加工，如圖8（a）所示；接著使用同樣的激光對(duì)孔進(jìn)行輪廓修邊，如圖8（b）所示，得到孔壁較為改善的氣膜孔；為了最大限度降低重熔層帶來(lái)的影響，最后一步需要使用飛秒激光對(duì)孔壁進(jìn)行二次修邊，加工方式與納秒修邊相同，所使用的飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間為50fs，單脈沖能量為200μJ，重復(fù)頻率為1kHz，波長(zhǎng)為400nm。

圖8 氣膜孔加工工序Fig.8 Processes in film cooling holes

第1 步的螺旋式加工中使用的納秒激光功率高，單脈沖能量大，可以在數(shù)秒內(nèi)穿透葉片壁面。在此過(guò)程中，材料吸收激光的能量不斷升溫，但是納秒激光會(huì)帶來(lái)較大的熱效應(yīng)，融化的部分材料會(huì)繼續(xù)吸收能量直至汽化，而另一部分冷卻后則重新冷卻附著在孔壁周?chē)纬奢^厚的重熔層。隨著深度的增加，重熔層還會(huì)導(dǎo)致后序激光的散射，使得氣膜孔的錐度變大。第2 步使用納秒激光進(jìn)行修邊，納秒激光沿著孔的外部輪廓進(jìn)行旋切式加工，為了防止孔徑的擴(kuò)大，旋轉(zhuǎn)半徑略小于第1 步設(shè)置的孔徑參數(shù)，此過(guò)程可以較大程度去除附著的重熔層。最后1 步使用飛秒激光重復(fù)第2 步的工序繼續(xù)打磨孔壁，飛秒激光與材料相互作用過(guò)程非常短，在材料還未開(kāi)始產(chǎn)生熱弛豫之前就已經(jīng)與材料作用完畢，可以對(duì)孔壁實(shí)現(xiàn)“冷”加工，使氣膜孔孔壁質(zhì)量得到極大提升。

在實(shí)際加工工藝參數(shù)探究中，所使用的四光楔需要設(shè)定詳細(xì)的參數(shù)值。分別對(duì)應(yīng)四光楔的相位偏差角與錐度參數(shù)值，角度偏轉(zhuǎn)參數(shù)值設(shè)定范圍為0～179°，錐度參數(shù)值設(shè)定范圍為10～28。

為了探究相位偏差角對(duì)孔直徑的影響，通過(guò)程序設(shè)置，每間隔5°進(jìn)行打孔。在相位偏差角變化過(guò)程中，孔的直徑由大變小，最小直徑為310μm，最大為975μm。孔的直徑與相位偏差角的依賴(lài)關(guān)系如圖9 所示。

完成孔直徑與相位偏差角的相對(duì)關(guān)系探究后，進(jìn)行錐度參數(shù)對(duì)孔的直徑、錐度以及橢圓率的試驗(yàn)探究。保持相位偏差角設(shè)定值為0，通過(guò)調(diào)整錐度參數(shù)值，探究所加工孔的直徑、錐度與橢圓率的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，錐度參數(shù)值在10～28 范圍內(nèi)，孔徑的直徑最小為301μm，最大為661μm，如圖10 所示。

圖 9 孔的直徑與相位偏差角的關(guān)系Fig.9 Dependence of diameter and phase angle

圖10 孔的直徑與錐度參數(shù)值的關(guān)系Fig.10 Dependence of diameter and taper parameter

在錐度參數(shù)18～25 范圍時(shí)，入口孔圓度（短軸/長(zhǎng)軸）百分?jǐn)?shù)在90%以上，當(dāng)錐度參數(shù)在20～24 時(shí)，入口的圓度百分?jǐn)?shù)大于94%，相應(yīng)的圓度百分比與錐度值如表1 所示。

圖11 為上述工藝在不銹鋼板表面加工的孔徑為450μm、傾斜角為30°（孔軸向與加工表面法平面夾角）的氣膜孔掃描電鏡圖片。圖11（a）為氣膜孔表面輪廓，圖11（b）為孔壁局部放大圖，氣膜孔的內(nèi)壁光滑、無(wú)明顯重熔層、無(wú)微裂紋、輪廓規(guī)則。

5 渦輪葉片氣膜孔加工結(jié)果與質(zhì)量分析

基于在不銹鋼板表面進(jìn)行了多種孔徑（350～700μm）與傾斜角（20～90°）的加工試驗(yàn)后，對(duì)不銹鋼渦輪葉片進(jìn)行整體加工。經(jīng)過(guò)夾裝、零點(diǎn)找準(zhǔn)、預(yù)打點(diǎn)、三維掃描誤差補(bǔ)償后完成了渦輪葉片氣膜孔的加工。圖12 為加工后的渦輪葉片整體圖。

渦輪葉片氣膜孔加工完畢后，使用加工系統(tǒng)中的CCD 同軸檢測(cè)模塊對(duì)每個(gè)氣膜孔進(jìn)行快速在線(xiàn)檢測(cè)[21]。通過(guò)同軸成像可以快速獲取每個(gè)氣膜孔的孔徑、圓度、方位角等數(shù)值的誤差。通過(guò)獲取的誤差確認(rèn)氣膜孔的各項(xiàng)參數(shù)都小于設(shè)定誤差范圍。將渦輪葉片取下，根據(jù)要求使用工業(yè)塞規(guī)對(duì)孔徑進(jìn)行二次檢測(cè)。塞規(guī)測(cè)量值實(shí)際是測(cè)量出氣膜孔的最小邊界值而非孔徑，所以塞規(guī)測(cè)量的結(jié)果往往是小于孔的實(shí)際直徑[22]。部分檢測(cè)結(jié)果由表2 給出。理論孔徑450μm 的氣膜孔塞規(guī)測(cè)量直徑為430μm，CCD 測(cè)量直徑范圍為464 ～ 475μm；理論孔徑400μm的氣膜孔塞規(guī)測(cè)量直徑為380μm，CCD 測(cè)量直徑范圍為413 ～ 423μm；氣膜孔的空間方位角誤差最大為0.3°，最小為0。

表 1 不同錐度參數(shù)下的圓度百分?jǐn)?shù)與錐度Table 1 Circularity and taper under different taper parameters

選取兩個(gè)加工完畢的渦輪葉片在顯微鏡下進(jìn)行孔徑測(cè)量，對(duì)于孔徑為450μm 的氣膜孔（圖13（a）），其測(cè)量平均值為469.96μm，葉片1 與葉片2 的孔徑方差分別為7.77μm2與8.00μm2，孔徑一致性達(dá)到±10μm；對(duì)于孔徑為400μm 的氣膜孔（圖13（b）），其測(cè)量平均值為421.93μm，葉片1 與葉片2 的孔徑方差分別為10.34μm2與4.55μm2，孔徑一致性達(dá)到±10μm。

圖11 納秒–飛秒激光加工的氣膜孔Fig.11 Film cooling hole by nanosecond–femtosecond laser

圖12 加工后渦輪葉片整體圖Fig.12 Turbine blades with processed film cooling holes

經(jīng)過(guò)初步的孔徑一致性分析后，對(duì)加工的葉片進(jìn)行工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像（Computer tomography， CT）分析，測(cè)量氣膜孔的整體孔型，確保加工的氣膜孔內(nèi)壁無(wú)交叉。圖14 為葉片傾斜角最大的葉前緣第2 列與加工難度最大的葉盆特殊點(diǎn)的CT 檢測(cè)圖，可以看出氣膜孔之間無(wú)交叉且無(wú)明顯可見(jiàn)錐度。

最后對(duì)所加工的氣膜孔重熔層與微裂紋進(jìn)行檢測(cè)，在高倍顯微鏡下對(duì)氣膜孔進(jìn)行剖面觀測(cè)，如圖15 所示，在500 倍放大倍率下的氣膜孔孔壁光滑，無(wú)明顯微裂紋；孔壁并無(wú)發(fā)現(xiàn)與材料明顯差異層，無(wú)明顯重熔層存在。

表2 部分氣膜孔的在線(xiàn)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果Table 2 Online parameters detection results of partial film cooling holes

圖13 氣膜孔孔徑整體離線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果Fig.13 Offline systematic diameters detection results of film cooling holes

圖14 代表性氣膜孔的CT 檢測(cè)圖Fig.14 CT detection image of representative film cooling holes

圖15 高分辨顯微鏡下氣膜孔內(nèi)壁形貌圖Fig.15 Interior morphology of film cooling hole under detection of high-resolution microscope

結(jié)論

（1） 納秒激光與飛秒激光通過(guò)合適的工藝組合，在渦輪葉片氣膜孔的加工中取得了較好的效果。使用高功率的納秒激光快速加工出氣膜孔的雛形，再使用飛秒激光進(jìn)行精細(xì)的修邊，可以滿(mǎn)足氣膜孔加工過(guò)程中對(duì)效率與精度的雙重要求。

（2） 通過(guò)對(duì)既有的帶孔渦輪葉片理論三維模型進(jìn)行分析，將氣膜孔理論的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)（中心坐標(biāo)，軸向坐標(biāo)）通過(guò)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得了對(duì)應(yīng)的加工代碼，實(shí)現(xiàn)了理論到實(shí)際加工的流程探究。

（3） 針對(duì)傳統(tǒng)工件夾持與零點(diǎn)找準(zhǔn)方法進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)了渦輪葉片專(zhuān)用夾具與零點(diǎn)調(diào)節(jié)盤(pán)，配合CCD 將平面的夾裝誤差控制到微米量級(jí)；在氣膜孔加工過(guò)程中創(chuàng)新地采用三維掃描儀對(duì)氣膜孔中心進(jìn)行誤差矯正，將氣膜孔加工的誤差降低到50μm 以下。

（4）從多角度對(duì)加工的氣膜孔進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確保氣膜孔的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。分別使用同軸檢測(cè)、工業(yè)塞規(guī)、顯微鏡對(duì)氣膜孔的孔徑和方位角進(jìn)行測(cè)量，氣膜孔的方位角誤差不超過(guò)0.3°，孔徑一致性達(dá)到±10μm；使用高倍顯微鏡與工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像對(duì)氣膜孔進(jìn)行剖開(kāi)/無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示氣膜孔孔型良好，沒(méi)有觀測(cè)到明顯的微裂紋與重熔層，孔的內(nèi)壁無(wú)交叉。

（5） 未來(lái)隨著高功率超快激光器的成本降低、大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化以及各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)的提升，例如直接使用百瓦級(jí)的飛秒激光器可以同時(shí)滿(mǎn)足效率與精度的加工需求，對(duì)以氣膜孔為代表的高精度特種加工將是一個(gè)關(guān)鍵性的推動(dòng)。除此之外，先進(jìn)的脈沖整形手段也可以用到此類(lèi)加工中，例如研究較為熱門(mén)的脈沖串技術(shù)等，可以有效降低加工中帶來(lái)的熱效應(yīng)并且提升加工效率。