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峰值20kW激光应用于航空领域技术参数

2013-04-18 11:15
Radow
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  :本文研究了采用直接传输和光纤传输的高峰值功率脉冲(约为20kW)激光器进行连续钻孔的实际应用效果,同时使用各种不同的激光和工作参数在超耐热镍基合金上加工大量的孔,并统计了加工时间、重铸层、锥度、氧化层以及裂化等方面的相关数据。

  航空燃气涡轮上的叶片、喷管叶片以及燃烧室等部件在工作状态时需要被冷却,因此人们在这些部件的表面打上数以千计的孔,用来保证部件表面被一层薄薄的冷却空气覆盖。这层冷却空气不仅能够延长零件的使用寿命,还可以提高引擎的工作性能。一个典型的较先进的引擎表面会有10万个这样的孔,随着打孔技术的发展,目前业界通常采用高峰值功率脉冲Nd-YAG激光器来加工,且套孔(trepanning)和脉冲钻孔(percussion)技术已经得到了成功的应用。

  图1  激光穿孔后的器件

  EDM孔加工与激光钻孔

  目前航空领域中用于喷射引擎的气体温度可达到2000℃,这个温度已经超过了涡轮叶片和燃烧室材料,即镍合金的熔点,于是人们一般采用边界层冷却的方法来解决这个问题,即在气压涡轮、喷管叶片和燃烧室表面加工孔(见图1),其中每个零件上的孔从25个到4万个不等(具体零件的参数如表1所示),冷却气体可以通过零件上的小孔覆盖整个零件的表面来隔绝外界的温度,从而起到保护作用。

  图2  涡轮机的一个定子叶片(西门子发电机), 表面等离子溅射的热隔离涂层材料YSZ (氧化锆)

  冷却孔可以用电火花加工(EDM),也可以使用激光加工,虽然采用EDM方法可以加工出质量合格的小孔,但是加工效率明显低于激光加工。此外,EDM还有以下三个缺点:

  1.适合低入射角和入射角变化的场合。

  2.要使用各种耗材,如电解液等, 增加了加工成本。

  3.为了提高耐热性,叶片表面需涂上绝缘陶瓷,但是EDM不适合在陶瓷涂层物质上穿孔。

  目前使用脉冲Nd:YAG激光器已成为航空航天领域钻孔设备的首选,主要是由于其具有以下优点:

  1.使用1.06μm波长对于材料的加工具有很好的效果。

  表1  冷却孔的典型应用

  2.具有高脉冲能量和峰值功率的特性。

  3.能快速在各种材料表面上(包括有耐热涂层材料在内)加工出高深宽比的冷却孔(见图2)。

  图3  JK704 的光束质量

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