超快激光加工渦輪葉片氣膜冷卻孔技術研究

張曉兵，紀 亮，蔡 敏，毛 忠，李元成，張 偉

（1.中國航空制造技術研究院，北京 100024；2.高能束流加工技術重點實驗室，北京 100024）

激光加工小孔技術是激光材料加工的主要應用方向之一。早在20世紀70年代，隨著具有較高頻率、更高平均功率、毫秒（10-3s）脈沖寬度的燈泵浦YAG 激光器的出現和商品化，激光加工小孔技術開始普遍應用于航空發動機渦輪葉片和燃燒室零件的氣膜冷卻孔加工。毫秒或幾百微秒脈沖寬度的激光制孔技術至今仍在航空發動機、燃氣輪機制造中廣泛應用[1]。

毫秒激光的單脈沖能量可以達到幾焦耳甚至幾十焦耳，加工小孔的效率非常高，但由于與材料熱作用時間長，熱影響較大，孔壁存在再鑄層，易產生微裂紋，且存在小孔不圓、尺寸精度及其一致性不高、孔壁不光滑、孔口毛刺多等問題[2]。

隨著激光器技術的發展，出現了納秒、皮秒甚至飛秒脈沖寬度的固體激光器，由于激光脈沖與材料作用時間短得多，相應熱影響顯著減小。尤其是脈沖寬度小于10ps 的超快激光，激光作用時間小于金屬材料中電子吸收光子能量并傳輸給原子晶格的時間（10-11s），晶格吸收的能量還沒能通過晶格間碰撞傳遞，激光脈沖已經停止，理論上可以避免熱擴散，因此，很快被用于嘗試解決毫秒激光制孔存在的問題。隨著脈沖能量、平均功率的不斷提高，超快激光已具備加工更大深度小孔的能力和工業化應用可接受的加工效率，因而為解決毫秒脈沖激光加工葉片氣膜冷卻孔存在的孔壁再鑄層等問題提供了現實可行性。……