[发明专利]一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺

说明书

本发明涉及一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，包括：气膜孔CAD模型的导入与切片处理；对壁保护填充与叶片装夹；叶片表面MARK点识别/匹配自动定位及基准校正；激光加工与在线监测；加工后处理；工业CT多角度探伤及检测。该项加工工艺技术可以实现复杂异形气膜孔的精密加工，并且进一步提高气膜孔加工的表面完整性，对提高涡轮发动机/燃气轮机的质量有重大意义，为新一代涡轮式航空发动机、舰船燃气轮机的研制提供技术支撑。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

现代先进的涡轮式航空发动机/燃气轮机普遍采用小孔气膜冷却技术，以增加涡轮前温度，从而提高发动机的推重比。小孔气膜冷却技术的主要结构特点是在涡轮叶片前缘、叶身型面及缘板等部位设计了大量的气膜孔，目前常见的孔径一般在0.2～0.8mm，空间角度复杂，每排气膜孔的角度都不尽相同，角度为15°～90°。气膜孔要求具有较高的表面质量，较小的重熔层，每片叶片有数十至数百个，整个燃烧室有数万个这样的气膜孔。早期气膜孔为简单的圆形孔，为了提高冷却效率，后逐渐演变成扇形或矩形等异形孔，现在已经发展到复杂的异形孔如簸箕孔、猫耳形孔等，其目的都是为了在叶片表面上形成更加完善的冷却气膜，提高叶片的冷却效果和叶片的承温能力。航空发动机性能的好坏很大程度上取决于叶片上气膜冷却孔的形状和质量，气膜冷却孔因其对发动机的冷却有较明显的效果，故一直受到航空装备业的广泛关注。然而由于高质量气膜孔的加工技术难度高，一直是航空装备制造业亟需解决的难题。

气膜冷却孔直径小而且形状复杂、精度要求高，无法靠铸造直接成型，因此都是在精密铸造完成后另行加工。由于叶片材料及加工难度的制约，气膜孔的加工多采用特种加工技术，包括电火花放电加工、激光加工、电化学加工、电液束加工等。目前国内普遍使用的方法是电火花放电加工(EDM)，但是现在复杂的异形孔往往需要很高的三维精密加工能力，EDM加工难以满足越来越高的精度要求。其次，EDM加工对工具电极损耗大，但制造和修复较困难，价格昂贵；同时，EDM加工也会产生重熔层和微裂纹，后处理流程复杂繁琐。此外，电火花放电加工无法加工非导电材料，因此未来带热障涂层叶片，陶瓷基复合材料、碳硅复合材料等性能优良的新型材料叶片都将无法采用电火花放电加工。电化学加工和电液束流加工技术都不会产生重熔层、微裂纹和热影响区，但都存在很大的局限性，如加工效率很低、重复精度差、而且存在杂散腐蚀现象，导致开孔的轮廓形状难以控制等，不能满足复杂异形孔批量生产要求。激光制孔因其属于非接触式加工，加工过程不产生机械应力，对材料无选择性，激光束可操控性强，易于实现空间复杂轨迹运动，加工精度、加工效率高等优势，使其在气膜孔加工领域的应用越来越多。长远来看，激光加工是航空发动机涡轮叶片复杂异形气膜孔加工的一种重要的发展趋势。

激光气膜孔的加工首先要实现先进的冷却结构形状，同时需要避免孔口和孔内壁残渣，重铸层、微裂纹、层间撕裂、表面剥落、不良应力集中等加工损伤，保证叶片的疲劳寿命。随着航空发动机可靠性要求的提高，对气膜孔表面完整性的要求越来越严格，必须进一步降低加工孔口及孔壁表面的残渣、重熔层和避免叶片基体腐蚀和中空叶片的背面损伤等加工缺陷。

发明内容

为了克服上述现有气膜孔激光加工技术的不足，本发明提供一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，有效地提高了气膜孔表面完整性，降低了加工孔口及孔壁表面的残渣、重熔层，有效避免了叶片基体腐蚀和中空叶片的背面损伤。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮叶片异形气膜孔的激光加工工艺，包括：

(1)气膜孔CAD模型的导入与切片处理；

(2)对壁保护填充及叶片装夹；