01
Введение в эту статью
Сверхбыстрая лазерная технология – это передовая технология, которая генерирует световые импульсы-высокой интенсивности за чрезвычайно короткое время. Ее применение в аэрокосмической области привлекает все больше внимания. Эта технология известна своими выдающимися характеристиками в области измерений, производства и связи, а ее широкое применение в аэрокосмической технике открывает новые возможности для улучшения характеристик и безопасности самолетов.
К сверхбыстрым лазерам обычно относятся лазеры с длительностью импульса менее 10^-12 секунд, в основном включая фемтосекундные лазеры (1 фс=10^-15 с) и пикосекундные лазеры (1 пс=10^-12 с). Поскольку сверхбыстрые лазерные импульсы действуют в течение чрезвычайно короткой продолжительности, они могут мгновенно производить очень высокую пиковую мощность. Таким образом, в отличие от обычных методов лазерной обработки, которые воздействуют на материалы посредством фототермических эффектов, механизм обработки сверхбыстрых лазеров заключается в прямом поглощении электронного состояния, которое передает энергию решетке материала, разрывает ее связи и, наконец, выбрасывает ее в виде плазмы. Более того, в отличие от термической обработки обычными непрерывными лазерами, сверхбыстрая лазерная обработка больше соответствует методу «холодной обработки». С точки зрения механизма взаимодействия лазера с материалом фемтосекундная лазерная обработка позволяет достичь высокой точности, минимальных зон термического воздействия, отсутствия термического плавления, повторного литья слоя и микротрещин. Это один из лучших методов улучшения целостности поверхности отверстий пленочного охлаждения турбинных лопаток в авиационных двигателях.
02 Специальные применения (1) Обработка отверстий под газовую пленку в лопатках турбин авиационных двигателей
Лопатки турбины, являющейся основным компонентом авиационного двигателя, имеют конструкцию, качество изготовления и эксплуатационные характеристики, которые влияют на срок службы двигателя. Обычно термобарьерные покрытия наносятся на поверхность жаропрочных-сплавов, чтобы придать лезвиям высокую прочность, высокую пластичность, коррозионную стойкость и устойчивость к высоким-температурам. Кроме того, на поверхности спроектированы дырочные структуры из газовой пленки. За счет выпуска холодного воздуха изнутри компонента и создания воздушного потока через крошечные отверстия на поверхности образуется защитная пленка холодного воздуха, изолирующая горячий газ и защищающая компонент. Однако современные методы обработки, такие как электроэрозионная обработка и-лазерная обработка с длинными импульсами, имеют недостатки, в том числе не-непроводящие термобарьерные слои, расслоение покрытия, трещины и сколы покрытия, что затрудняет создание хорошо-небольших отверстий.
С развитием технологии сверхбыстрой лазерной обработки фемтосекундные лазеры теперь используются для создания газовых отверстий на лопатках турбин без отслоений покрытия и трещин, а также с размерами, соответствующими техническим требованиям. Это обеспечивает новую технологию изготовления отверстий под газовую пленку в компонентах авиационных двигателей.
Обработка многочисленных отверстий для охлаждения газовой пленкой на лопатках турбин с термическим барьерным-покрытием имеет решающее значение для применения двигателей с высоким-отношением к-массе и высокоэффективными-двигателями, что предъявляет более высокие требования к обработке этих лопаток с покрытием. Технология фемтосекундной лазерной обработки микро-отверстий, обладающая такими преимуществами, как высокая точность, высокое качество и холодная обработка, обеспечивает высококачественную-обработку микро-отверстий для двигателей. Благодаря постоянному совершенствованию технологии фемтосекундного лазерного сверления теперь можно добиться высокой-точной обработки отверстий из газовой пленки на лопастях с термобарьерным-покрытием без переплавленных слоев, микро-трещин или зон,-подверженных тепловому воздействию, при этом гарантируя, что термобарьерное покрытие не почернеет и не отслоится после обработки. Таким образом, технология фемтосекундной лазерной обработки микро-отверстий может стать важным методом изготовления отверстий газовой пленки на лопатках турбин с термическим барьерным-покрытием.
(2) Обработка отверстий пленочного охлаждения в камере сгорания авиационных двигателей.
Жаровая труба является основным компонентом камеры сгорания авиационного двигателя и одной из наиболее важных жаропрочных-деталей. Чтобы жаровая труба работала стабильно и непрерывно в условиях экстремально высоких-температур, ее необходимо охлаждать. В настоящее время распространенный метод предполагает сочетание покрытий и перфораций. Использование лазерной обработки с длинными-импульсами может привести к появлению таких дефектов, как абляция покрытия, разбрызгивание и сколы кромок, что существенно влияет на срок службы жаровой трубы. В настоящее время с помощью пикосекундной лазерной обработки можно создавать отверстия для пленочного охлаждения без расслоения или отслаивания большой площади-на поверхности и с размерами, которые соответствуют техническим требованиям, как показано на рисунках 2 и 3.
(3) Обработка канавок специальной-формы в авиационных двигателях
Характеристики уплотнения оказывают важное влияние на работу авиационных двигателей. В последние годы с развитием авиационной промышленности характеристики двигателей неуклонно улучшаются, а условия эксплуатации усложняются. Число отказов, вызванных неисправностями уплотнений двигателя, растет, и эти проблемы требуют срочного решения. Поэтому к технологии герметизации двигателя предложены новые требования. Пальцевые уплотнения — это новый тип устройства, которое можно использовать для герметизации камеры основного подшипника и путей воздушного потока авиационных двигателей. Обработка компонентов напальцевого уплотнения требует высокой точности. Современная механическая обработка, электроэрозионная обработка и лазерная обработка с длинными-импульсами не могут решить такие проблемы, как коробление и деформация, возникающие во время обработки. Однако фемтосекундные лазеры благодаря чрезвычайно высокой плотности энергии и очень короткому времени обработки обеспечивают высокую эффективность и точность процесса обработки. На компонентах уплотнения кончика пальца не появляются такие дефекты, как повторно отлитые слои, трещины или заусенцы, что обеспечивает новый метод обработки канавок специальной-формы в высокоточных-деталях авиационных двигателей.
03
Выводы и перспективы
Как передовая технология обработки и изготовления материалов, сверхбыстрая лазерная обработка имеет широкие перспективы применения в области производства авиационных двигателей. При инженерном применении сверхбыстрой лазерной обработки различные параметры лазерного процесса должны выбираться в соответствии с характеристиками материала, чтобы сократить количество этапов процесса, повысить эффективность обработки и обеспечить точность качества и размеров формовки материала. С развитием сверхбыстрой лазерной технологии и улучшением оптимизации процесса будут эффективно решены такие проблемы, как низкая эффективность обработки и ограниченная обрабатываемая толщина. Более того, технология двойной-лазерной обработки, которая сочетает в себе сверхбыструю лазерную обработку с длинной-лазерной обработкой, станет будущим направлением повышения качества и эффективности.
