專利名稱：一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光微加工技術(shù)、航空航天制造、發(fā)電站裝備、軍用船業(yè)、石化制造和汽車領(lǐng)域，特別涉及一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)、單晶葉片廣泛應(yīng)用于航空推進(jìn)、海軍軍艦、發(fā)電站、石化行業(yè)和各種工業(yè)用途。其設(shè)計(jì)和發(fā)展的目標(biāo)是獲得高性能、長壽命和高可靠性產(chǎn)品。提高熱效率是設(shè)計(jì)者的首要目標(biāo)，研究表明提高燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口溫度是提高熱效率最有效的途徑之一。隨著材料服役溫度的快速升高，燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了金屬材料所能承受的極限，因此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)透平高溫部件，尤其是透平葉片必須采用冷卻技術(shù)，保證葉片本身溫度低于材料的許可值而安全工作。目前國外通用做法就是根據(jù)燃燒室和渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在內(nèi)腔內(nèi)部含有冷卻助燃空氣的錐形流道，同時(shí)要求設(shè)計(jì)不規(guī)則葉片表面排列不同直徑的氣膜孔，這些大量氣膜孔沿葉脊方向線形排列，孔徑非常小，通常為0. Imm Imm范圍之間，這些氣膜孔位置和尺寸根據(jù)氣體流動(dòng)方向嚴(yán)格設(shè)計(jì)，在復(fù)雜型面的零件上，空間分布位置相當(dāng)復(fù)雜，每排氣膜孔的軸線與表面夾角很小，形成斜孔，而各排氣膜孔的角度多變， 孔的位置精度要求高，通常在0. Imm以內(nèi)，這些嚴(yán)格控制孔徑尺寸和位置精度的氣膜設(shè)計(jì)保證冷卻空氣的介入，結(jié)合軸向和橫向放射的孔徑排列，使整個(gè)系統(tǒng)具有非常好的熱平衡。而傳統(tǒng)的葉片鉆孔方法是使用機(jī)械刀頭或電火花加工，機(jī)械刀頭鉆孔這種方法容易造成材料基底損傷，裂紋也較大，效率較慢，刀頭也是非常貴而易磨損，需定期更換；電火花加工，雖較機(jī)械刀輪鉆孔精度高些，但是在實(shí)際加工中會(huì)對(duì)葉片表面特意濺射的陶瓷材料產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致廢片，導(dǎo)致葉片的使用壽命縮短。而且這些鉆孔工序中往往伴隨著切割輔助劑，液態(tài)輔助劑的黏附問題，切割切面比較粗糙，存在微細(xì)的裂紋，存在著局部應(yīng)力，切割后還必須進(jìn)行清洗、拋光等后處理。因此，現(xiàn)有工藝已經(jīng)不能提高現(xiàn)有產(chǎn)品高質(zhì)量，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的實(shí)用效果和使用
壽命ο

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述背景技術(shù)中所提出的現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域存在的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的生產(chǎn)加工技術(shù)生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量低的問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法，包括如下步驟A、將燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面擦拭干凈，涂上一層保護(hù)膠，間隔1小時(shí)后，再涂上一層保護(hù)膠，待膠穩(wěn)定固化之后，填充保護(hù)內(nèi)腔的高分子材料或者聚合物材料，最后固定在特定夾
具上；B、控制系統(tǒng)將根據(jù)紅外探測(cè)儀掃描到葉片表面輪廓，并能按照葉片表面輪廓形狀，反饋到操作控制系統(tǒng)中，操作控制系統(tǒng)依據(jù)掃描來的圖形信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)高平均功率、高重復(fù)頻率和短脈寬的脈沖激光源實(shí)現(xiàn)控制，并使其激光聚焦焦點(diǎn)在光軸上下升降定位，最終實(shí)現(xiàn)葉片表面群孔的加工制造；C、用特定量具針規(guī)作相應(yīng)孔形測(cè)驗(yàn)，保證每個(gè)孔徑大小符合設(shè)計(jì)要求；D、對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片做氣流檢測(cè)和熱成像檢測(cè)，此為驗(yàn)證保證氣流檢測(cè)通過和孔徑邊裂紋最小。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟A中內(nèi)腔里面填充高分子材料或者聚合物材料為特氟隆材料。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述步驟B中，采用的激光源為高功率的遠(yuǎn)紅外波長激光器、紅外激光器、可見光波段激光器、紫外激光器或者深紫外激光器；激光源脈寬為飛秒激光器、皮秒激光器、納秒激光器或者連續(xù)激光器；重復(fù)頻率大于50KHz。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述步驟B中的激光器的光束工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)1、加工方法與工件的硬度強(qiáng)度等機(jī)械性能無關(guān)，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、特殊性能的金屬和非金屬材料；2、非接觸加工，工件不承受大的作用力，故使剛性極低元件及彈性元件得以加工；3、微細(xì)加工，工件表面質(zhì)量高，加工余量都是微米、納米級(jí)別進(jìn)行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面，可滿足后期葉片表面極小孔徑的加工；4、不存在加工中的機(jī)械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變，可獲得較低的表面粗糙度，其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好；5、對(duì)簡化加工工藝、變革新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及零件結(jié)構(gòu)工藝性等產(chǎn)生積極的影響，對(duì)于復(fù)雜的曲面葉片背部和脊部可高效率、高精度實(shí)現(xiàn)群孔加工。短脈沖激光短于絕大多數(shù)化學(xué)和物理反應(yīng)，比如機(jī)械和熱力學(xué)的特征時(shí)間等，峰值功率極高，由于超短激光脈沖與物質(zhì)相互中獨(dú)特的多光子吸收過程，其加工精度可以突破相干極限的瓶頸，從而使納米加工和相應(yīng)微電子、納電子、微光學(xué)、納光學(xué)的許多構(gòu)想成為可能。本發(fā)明提出激光對(duì)高溫合金材料進(jìn)行微孔加工技術(shù)，具有速度快，效率高，精度高， 表面粗糙度較小，并通過特殊工藝實(shí)現(xiàn)加工中零重鑄層、無微裂紋的葉片氣膜孔激光高效加工技術(shù)研究，從而保證高溫合金材料構(gòu)成的燃?xì)廨啓C(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要航空材料部件抗疲勞性能的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)。


圖1本發(fā)明裝備結(jié)梓圖中標(biāo)號(hào)為1-激光器4-激光束7-內(nèi)閥線孔10-表面感應(yīng)探測(cè)器13-控制系統(tǒng)
^意圖。
2-光間3-擴(kuò)束鏡
5-45度全反射鏡6-聚焦鏡
8-遠(yuǎn)心場鏡9-Z軸
11-葉片12-平臺(tái)
具體實(shí)施例方式下面對(duì)該工藝實(shí)施例作詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍作出更為清楚明確的界定。本發(fā)明涉及一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法，采用高平均功率、高重復(fù)頻率和短脈寬的脈沖激光器，加工的材料為對(duì)短脈寬的脈沖激光吸收率較高的耐高溫鎳基金屬類材料，幾乎所有的激光能量都被耐高溫鎳基金屬類材料表面所吸收，同時(shí)激光軸能相對(duì)于所加工葉輪表面孔型高速的上下移動(dòng)，且光束能高速旋轉(zhuǎn)。激光焦點(diǎn)會(huì)形成所需要的鉆孔切割線，將會(huì)使得葉片沿著固定的切割道向下進(jìn)階，直至最終葉片孔型完成，激光光軸再往下一葉片孔型方向移動(dòng)，如此反復(fù)形成葉片表面孔型的加工。如圖1為激光鉆孔葉片的裝置示意圖，采用高功率、高重復(fù)頻率和短脈寬的脈沖激光器，加工前激光焦點(diǎn)聚焦位于葉片的上表面，激光器1發(fā)出的激光束4經(jīng)過光閘2后到達(dá)擴(kuò)束鏡3，激光器1出光直徑達(dá)到之前的5 20倍，光束發(fā)散角變小、利于光束優(yōu)化操作和同軸光束，有利于光束精微聚焦，光束繼續(xù)傳輸，到達(dá)45度全反射鏡5，光路垂直改向，到達(dá)特殊定制聚焦鏡6 (嵌套在三維動(dòng)態(tài)聚焦振鏡內(nèi)部)后，聚焦成圓形光斑，通過特殊定制的光路聚焦系統(tǒng)7，到達(dá)遠(yuǎn)心場鏡8，使光路聚焦成較小光斑在葉片11上，葉片11固定在平臺(tái)12上；在掃描之前，紅外探測(cè)系統(tǒng)將表面感應(yīng)探測(cè)器10掃描葉片11的表面輪廓，并反饋到控制系統(tǒng)13中，控制系統(tǒng)13根據(jù)掃描區(qū)域圖形制作成相應(yīng)的反饋信號(hào)，并以此來控制ζ 軸9，實(shí)現(xiàn)ζ軸9上下移動(dòng)，以保證葉片11所要加工區(qū)域在本系統(tǒng)的激光焦點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)高能量的高重復(fù)頻率短脈寬的脈沖激光對(duì)葉片的精確鉆孔。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
之一，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法，其特征在于，包括如下步驟A、將燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面擦拭干凈，涂上一層保護(hù)膠，間隔1小時(shí)后，再涂上一層保護(hù)膠，待膠穩(wěn)定固化之后，填充保護(hù)內(nèi)腔的高分子材料或者聚合物材料，最后固定在特定夾具上；B、控制系統(tǒng)將根據(jù)紅外探測(cè)儀掃描到葉片表面輪廓，并能按照葉片表面輪廓形狀，反饋到操作控制系統(tǒng)中，操作控制系統(tǒng)依據(jù)掃描來的圖形信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)高平均功率、高重復(fù)頻率和短脈寬的脈沖激光源實(shí)現(xiàn)控制，并使其激光聚焦焦點(diǎn)在光軸上下升降定位，最終實(shí)現(xiàn)葉片表面群孔的加工制造；C、用特定量具針規(guī)作相應(yīng)孔形測(cè)驗(yàn)，保證每個(gè)孔徑大小符合設(shè)計(jì)要求；D、對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片做氣流檢測(cè)和熱成像檢測(cè)，此為驗(yàn)證保證氣流檢測(cè)通過和孔徑邊裂紋最小。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法， 其特征在于所述步驟A中內(nèi)腔里面填充高分子材料或者聚合物材料為特氟隆材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法， 其特征在于所述步驟B中，采用的激光源為高功率的遠(yuǎn)紅外波長激光器、紅外激光器、可見光波段激光器、紫外激光器或者深紫外激光器；激光源脈寬為飛秒激光器、皮秒激光器、 納秒激光器或者連續(xù)激光器；重復(fù)頻率大于50KHz。
4.如權(quán)利要求1所述的一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法， 其特征在于所述步驟B中的激光器的光束工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光鉆孔高溫合金材料燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝備和工藝方法，包括如下步驟A、將燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面擦拭干凈，涂上保護(hù)膠，并填充高分子材料或者聚合物材料保護(hù)內(nèi)腔，最后固定在特定夾具上；B、控制系統(tǒng)將根據(jù)紅外探測(cè)儀掃描到葉片表面的掃描信號(hào)，對(duì)脈沖激光源控制，實(shí)現(xiàn)葉片表面群孔的加工制造；C、用特定量具針規(guī)作相應(yīng)孔形測(cè)驗(yàn)，保證每個(gè)孔徑大小符合設(shè)計(jì)要求；D、對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片做氣流檢測(cè)和熱成像檢測(cè)，此為驗(yàn)證保證氣流檢測(cè)通過和孔徑邊裂紋最小。本發(fā)明可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、特殊性能的材料；可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面。
文檔編號(hào)B23K26/42GK102248306SQ20111008325
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者周明, 狄建科 申請(qǐng)人:周明, 狄建科