一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法。


背景技术：

2.航空发动机是工业皇冠上的“明珠”，其中涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它承受着燃烧后的高温高压燃气冲击，其制造技术也被列为现代航空发动机的关键技术。随着燃气涡轮发动机功率、热效率、推重比等性能的不断提高，涡轮前温度不断提高，已经远超涡轮叶片材料的极限使用温度，由此发展了气膜冷却技术来提高其可使用的温度上限。气膜冷却就是在涡轮叶片叶身上沿叶高方向分布了n排冷却气膜孔，从气膜孔喷出的冷却气流在叶身表面形成气膜，阻隔高温的燃气，从而提高叶片材料的耐高温性能。据统计，涡轮前温度平均每年升高25k，其中约15k是依靠冷却技术的进步取得的。在过去的三、四十年中，涡轮进口温度提高了大约450k。其中70％是由于涡轮工作叶片和涡轮导向叶片的高效冷却设计取得的，而另外30％应归于高温合金和铸造加工工艺的改进。
3.气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一，大大提高了发动机的性能。近些年为了实现更高的冷却效率，众多先进的燃气涡轮发动机都已采用具有扩散段的簸箕型异型气膜孔，同时也对气膜孔加工技术提出了更高的要求。
4.中国专利cn106735657a公开了一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，可以结合电火花和电化学的加工，去除加工气膜孔过程中产生的重熔层；中国专利cn102861956b公开了一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法，对气膜孔的圆孔和簸箕形孔口采用中空圆形截面的同一简单电极进行加工，降低电极制造难度，减小成形电极制造周期，节约成本。
5.目前现有技术对于簸箕型气膜孔的加工多采用电火花工艺和传统激光工艺制备，制备的簸箕型气膜孔具有几何精度不足和表面质量较差等问题，并且现有的加工技术难以很好的加工具有圆滑曲面的簸箕型气膜孔。由此便会对涡轮叶片的气动性能，冷却效率和结构强度造成极大的不利影响。因此，寻求更为合理的簸箕型气膜孔的工艺方法具有重大的工程实践价值和意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法及其应用，该方法可以实现一种涡轮叶片簸箕型气膜孔的高质量加工，提高现有的涡轮叶片气膜冷却技术，从而提升燃气涡轮发动机工作性能。
7.本发明提供了一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，包括以下步骤：
8.s1.参数化建模簸箕型气膜孔；
9.s2.飞秒激光填充扫描加工簸箕型气膜孔的簸箕口部分；
10.s3.飞秒激光螺旋扫描加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；
11.s4.对加工完成的簸箕型气膜孔进行加工质量检测。
12.进一步的，所述步骤s1包括以下分步骤：
13.s101.建立簸箕型气膜孔形成模型，参数化定义簸箕型气膜孔的几何参数；
14.s102.通过形成模型和涡轮叶片构件的布尔运算得到簸箕型异型气膜孔。
15.优选的，在步骤s101中，所述参数化定义簸箕型气膜孔的几何参数包括参数化定义簸箕型气膜孔的几何特征量和形成关系，部分几何特征量满足以下关系式：
[0016][0017]
b＝l1×
tanβ+d
[0018]
其中，α为主倾角、β为前倾角、γ为张开角、d为斜孔孔径、l2为斜孔长度、l1为簸箕口形成模型长度、a为映射面半长度、b为映射面高度，r为映射面倒角。α、l2均是建模时需要参数化定义的量。由此根据气动、冷却效率和强度的理论计算方便地改变簸箕型气膜孔的几何构型。关于三者的理论计算是设计异型气膜孔时需要考虑的因素，异型孔的几何模型会根据方案的变化实际的应用效果有所改动。本专利提供一种该种异型气膜孔的加工方法，这里提供的是一种参数化的模型，该模型可以根据工程中的理论计算进行灵活的修改，以减少重新建模的工作量。
[0019]
进一步的，所述步骤s2包括以下分步骤：
[0020]
s201.沿斜孔轴线方向对簸箕型气膜孔的簸箕口部分模型进行切片；
[0021]
s202.对簸箕口部分的每层切片分别进行图形填充，确定激光填充扫描的加工路径，生成加工代码；
[0022]
s203.对簸箕口部分的每层切片进行飞秒激光填充扫描烧蚀试加工，得到加工参数和烧蚀深度、烧蚀表面质量的关系，从而确定可以获得合适烧蚀深度和良好表面质量的最优加工参数；
[0023]
s204.按照设计角度和制孔位置调整工件至定位坐标
①
，根据簸箕口的设计模型进行激光焦点补偿，得到加工坐标
②
；
[0024]
s205.设置步骤s203得到的最优加工参数，实施簸箕型气膜孔孔扩张口的加工。
[0025]
优选的，在步骤s201中，对簸箕型气膜孔的簸箕口部分模型进行的切片为闭口切片，闭口切片的厚度应当≤0.1mm，从而使加工出来的簸箕口曲面可以平滑过度。
[0026]
优选的，步骤s202中，对簸箕口部分的每层切片的图形填充为“弓”字型填充，填充的线间距≤0.01mm，从而使加工出来的簸箕口实现较小的表面粗糙度。
[0027]
优选的，在步骤s203中，调整的主要加工参数有：激光平均输出功率(w)，表示激光单位面积的能量大小；扫描速度(v)，表示激光扫描时平面内的移动速度；扫描次数(t)，表示在每层扫描加工时的扫描次数；单层扫描焦点下移量(h)，表示激光完成每层扫描后激光焦点下移的距离。
[0028]
进一步的，所述步骤s3包括以下分步骤：
[0029]
s301.进行焦距测量，焦点补偿得到加工坐标
③
，使激光焦点聚焦于簸箕口部分的最底部；
[0030]
s302.飞秒激光旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；
[0031]
s303.飞秒激光旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分。
[0032]
优选的，在步骤s302，飞秒旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用变半径的螺旋线的扫描方式，从而快速加工圆度好、无锥度的圆孔。
[0033]
优选的，在步骤s303，飞秒旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用固定半径的螺旋线的扫描方式快速加工，从而去除步骤s302中产生的孔壁缺陷和热损伤，实现良好的孔壁表面质量。
[0034]
优选的，步骤s204和步骤s301中，进行工件姿态调整和坐标获取时，使用搭配高精度激光测距仪的精密五轴移动平台实现，重复定位精度≤10μm。
[0035]
进一步的，所述步骤s4包括以下分步骤：
[0036]
s401.对加工完成的簸箕型气膜孔进行几何精度检测；
[0037]
s402.对加工完成的簸箕型气膜孔进行表面完整性检测。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0039]
(1)本发明设计了一种簸箕型气膜孔的参数化模型，由此能够根据气动、冷却效率和强度的理论计算方便地改变簸箕型气膜孔的几何构型；
[0040]
(2)本发明改进了以往的直边型的簸箕型气膜孔，所设计的曲面簸箕型气膜孔可以实现更好的气动性能和能效效率，并且可以减少孔周应力集中引起的结构强度损失；
[0041]
(3)发明通过焦点补偿、扫描路径规划和参数调试等飞秒激光加工工艺优化实现一种涡轮叶片簸箕型气膜孔的高质量加工，显著降低加工误差和加工缺陷，并对预研的其他类型异型气膜孔的加工提供有价值的参考依据；
[0042]
(4)本发明通过对簸箕型气膜孔的模型设计优化和加工质量提高，有力地促进现有涡轮叶片气膜孔冷却技术，提升涡轮叶片的运行可靠性和服役寿命。
附图说明
[0043]
图1是一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法流程图。
[0044]
图2是一种簸箕型气膜孔的形成模型示意图，其中ⅰ是簸箕口部分，ⅱ是斜孔部分。
[0045]
图3是一种簸箕型气膜孔的形成模型的几何参数示意图。
[0046]
图4是一种簸箕型气膜孔的参数化模型示意图。
[0047]
图5是一种簸箕型气膜孔的簸箕口切片示意图。
[0048]
图6是一种簸箕型气膜孔的簸箕口激光填充扫描路径示意图，其中左边是簸箕口部分模型切片的图形填充，右边是扫描路径局部放大示意图。
[0049]
图7是一种簸箕型气膜孔的飞秒激光加工焦点补偿方法示意图。
[0050]
图8是一种簸箕型气膜孔的斜孔飞秒激光旋切加工方法示意图，其中(a)是旋切粗加工的示意图，(b)是旋切精细加工的示意图。
[0051]
图9是飞秒激光加工得到的一种簸箕型气膜孔实物图。
[0052]
图10是飞秒激光加工得到的一种簸箕型气膜孔簸箕口部分的三维等高云图。
[0053]
图11是飞秒激光加工得到的一种簸箕型气膜孔斜孔部分的实物图。
具体实施方式
[0054]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
实施例1
[0056]
图1是一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法流程图，参考其加工异型孔的具体几何构型。
[0057]
本实施例提供一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，包括以下步骤：
[0058]
s1.参数化建模簸箕型气膜孔；
[0059]
s2.飞秒激光填充扫描加工簸箕型气膜孔的簸箕口部分；
[0060]
s3.飞秒激光螺旋扫描加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；
[0061]
s4.对加工完成的簸箕型气膜孔进行加工质量检测。
[0062]
所述步骤s1包括以下分步骤：
[0063]
s101.建立簸箕型气膜孔形成模型，参数化定义簸箕型气膜孔的几何参数；
[0064]
s102.通过形成模型和涡轮叶片构件的布尔运算得到簸箕型异型气膜孔。
[0065]
在步骤s101中，簸箕型气膜孔形成模型如图2所示，分为簸箕口部分(ⅰ)和斜孔部分(ⅱ)，形成模型的几何参数如图3所示。定义几何特征量：主倾角(α)为30
°
，前倾角(β)为15
°
，张开角(γ)为10
°
，斜孔孔径(d)为0.4mm，斜孔长度(l2)为10mm，簸箕口形成模型长度(l1)为10mm，映射面半长度(a)，映射面高度(b)，映射面倒角(r)为0.2mm，则映射面半长度(a)和映射面高度(b)为：
[0066][0067]
b＝l1×
tanβ+d＝10
×
tan15
°
+0.4＝3.08mm
[0068]
在步骤s102中，布尔运算后得到的一种簸箕型气膜孔的参数化模型如图4所示。
[0069]
所述步骤s2包括以下分步骤：
[0070]
s201.沿斜孔轴线方向对簸箕型气膜孔的簸箕口部分模型进行切片，切片的示意图如图5所示；
[0071]
s202.对簸箕口部分的每层切片分别进行图形填充(如图6所示)，确定激光填充扫描的加工路径，生成加工代码；
[0072]
s203.对簸箕口部分的每层切片进行飞秒激光填充扫描烧蚀试加工，确定得到加工参数和烧蚀深度、烧蚀表面质量的关系，从而确定可以获得合适烧蚀深度和良好表面质量的最优加工参数：激光功率密度(w)为6w、扫描速度(v)为3000mm/min、扫描次数(t)为5次、单次扫描焦点下移量(h)为0.01mm
[0073]
s204.按照设计角度和制孔位置调整工件至定位坐标
①
，根据簸箕口的设计模型进行激光焦点补偿，得到加工坐标
②
，采用的焦点补偿方法如图7所示；
[0074]
s205.设置步骤s203得到的最优加工参数，实施簸箕型气膜孔孔扩张口的加工。加工得到的簸箕口的实物图如图9所示，其三维等高云图如图10所示，可以看出加工得到的簸箕口形状规则，壁面光滑无毛刺，并且没有明显烧蚀。
[0075]
在步骤s201中，在步骤s201中，对簸箕型气膜孔的簸箕口部分模型进行的切片为闭口切片，闭口切片的厚度为0.1mm，从而使加工出来的簸箕口曲面可以平滑过度，切片的
示意图如图。
[0076]
步骤s202中，对簸箕口部分的每层切片的图形填充为“弓”字型填充，填充的线间距＝0.01mm，从而使加工出来的簸箕口实现较小的表面粗糙度。局部的“弓”字型填充和扫描示意图如图6所示。
[0077]
在步骤s203中，调整的加工参数有：激光平均输出功率(w)、扫描速度(v)、扫描次数(t)、单次扫描焦点下移量(h)。
[0078]
所述步骤s3包括以下分步骤：
[0079]
s301.进行焦距测量，焦点补偿得到加工坐标
③
，使激光焦点聚焦于簸箕口的最底部，采用的焦点补偿方法如图7所示；
[0080]
s302.飞秒激光旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分，旋切粗加工的示意图如图8(a)所示；
[0081]
s303.飞秒激光旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分，旋切精细加工的示意图如图8(b)所示。
[0082]
在步骤s302，飞秒旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用变半径的螺旋线的扫描方式，从而快速加工圆度好、无锥度的圆孔。
[0083]
在步骤s303，飞秒旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用固定半径的螺旋线的扫描方式快速加工，从而去除步骤s302中产生的孔壁缺陷和热损伤，实现良好的孔壁表面质量。
[0084]
步骤s204和步骤s301中，进行工件姿态调整和坐标获取时，使用搭配高精度激光测距仪的精密五轴移动平台实现，重复定位精度为10μm。
[0085]
所述步骤s4包括以下分步骤：
[0086]
s401.对加工完成的簸箕型气膜孔进行几何精度检测；
[0087]
s402.对加工完成的簸箕型气膜孔进行表面完整性检测。
[0088]
最终加工完成的斜孔的实物图如图11所示，可以看出斜孔几何尺寸达标，内壁光滑，无明显烧蚀。
[0089]
虽然已经通过例子对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s1.参数化建模簸箕型气膜孔；s2.飞秒激光填充扫描加工簸箕型气膜孔的簸箕口部分；s3.飞秒激光螺旋扫描加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；s4.对加工完成的簸箕型气膜孔进行加工质量检测。2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，所述s1包括以下分步骤：s101.建立簸箕型气膜孔形成模型，参数化定义簸箕型气膜孔的几何参数；s102.通过形成模型和涡轮叶片构件的布尔运算得到簸箕型气膜孔。3.根据权利要求2所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，在s101中，所述参数化定义簸箕型气膜孔的几何参数包括参数化定义簸箕型气膜孔的几何特征量和形成关系，部分几何特征量满足以下关系式：b＝l1×
tanβ+d；其中，β为前倾角、γ为张开角、d为斜孔孔径、l1为簸箕口形成模型长度、a为映射面半长度、b为映射面高度，r为映射面倒角。4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，所述s2包括以下分步骤：s201.沿斜孔轴线方向对簸箕型气膜孔的簸箕口部分进行切片；s202.对簸箕口部分的每层切片分别进行图形填充，确定激光填充扫描的加工路径，生成加工代码；s203.对簸箕口部分的每层切片进行飞秒激光填充扫描烧蚀试加工，得到加工参数和烧蚀深度、烧蚀表面质量的关系，从而确定可以获得合适烧蚀深度和良好表面质量的最优加工参数；s204.按照设计角度和制孔位置调整工件至定位坐标
①
，根据簸箕口的设计模型进行激光焦点补偿，得到加工坐标
②
；s205.设置步骤s203得到的最优加工参数，实施簸箕型气膜孔扩张口的加工。5.根据权利要求4所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，s201中，对簸箕型气膜孔的簸箕口部分进行切片为闭口切片，闭口切片的厚度≤0.1mm。6.根据权利要求4所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，s202中，对簸箕口部分的每层切片进行图形填充时，图形填充的线间距≤0.01mm。7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，所述s3包括以下分步骤：s301.进行焦距测量，焦点补偿得到加工坐标
③
，使激光焦点聚焦于簸箕口部分的最底部；s302.飞秒激光旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；s303.飞秒激光旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分。
8.根据权利要求7所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，在s302中，飞秒激光旋切粗加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用变半径的螺旋线的扫描方式。9.根据权利要求7所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，在s303中，飞秒激光旋切精细加工簸箕型气膜孔的斜孔部分时，采用固定半径的螺旋线的扫描方式快速加工。10.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下分步骤：s401.对加工完成的簸箕型气膜孔进行几何精度检测；s402.对加工完成的簸箕型气膜孔进行表面完整性检测。

技术总结
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光制备涡轮叶片簸箕型气膜孔的方法，包括以下步骤：S1.参数化建模簸箕型气膜孔；S2.激光填充扫描加工簸箕型气膜孔的簸箕口部分；S3.激光螺旋扫描加工簸箕型气膜孔的斜孔部分；S4.对加工完成的簸箕型气膜孔进行加工质量检测。本发明能够实现一类涡轮叶片簸箕型气膜孔的高质量成型加工，显著降低加工误差和加工缺陷，提高涡轮叶片的气动性能、冷却效率和结构强度，从而提高涡轮叶片的运行可靠性和服役寿命。服役寿命。服役寿命。


技术研发人员：温志勋 李萌 王平 李振威 刘禹行 王成 岳珠峰
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/28