渦輪是航空發(fā)動機中熱負荷和機械負荷最大的部件，其中渦輪葉片的工作環(huán)境尤為惡劣，在發(fā)動機循環(huán)中，承受著燃燒后的高溫高壓燃氣沖擊，其制造技術也被列為現(xiàn)代航空發(fā)動機的關鍵技術。發(fā)動機性能很大程度上取決于渦輪進口溫度的高低，而渦輪葉片材料的影響限制了其溫度的控制。

　　為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進而提高發(fā)動機的性能，采用氣膜冷卻技術具有其代表性，同時對氣膜孔加工技術提出了更高要求。

　　日前，在中國科學院召開的新聞發(fā)布會上獲悉，中國科學院西安光學精密機械研究所開發(fā)出國內最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級飛秒光纖激光器，研制出系列化超快激光極端制造裝備，實現(xiàn)了航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補了國內空白，達到了國際先進水平。

　　▲航空發(fā)動機。(資料圖)

　　在航空領域，航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，其制造水平代表著一個國家的科技、工業(yè)和國防實力。

　　當前，我國已啟動實施航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項，力爭突破“兩機”關鍵核心技術，推動“兩機”產(chǎn)品研制。然而，現(xiàn)有加工手段容易導致航空發(fā)動機關重件出現(xiàn)各種制造缺陷，嚴重影響了新一代航空發(fā)動機的研制和生產(chǎn)。在航天領域，衛(wèi)星電推進器等關重件存在微米級加工精度、高表面質量、大幅曲面薄壁結構等極端制造瓶頸，極大影響了航天飛行器的性能、壽命及可靠性。

　　中國科學院西安光學精密機械研究所瞄準航空、航天等戰(zhàn)略領域對極端精密制造裝備的重大需求，在中國科學院科技成果轉移轉化重點專項(弘光專項)項目“航空航天發(fā)動機極端精細制造裝備”等的支持下，在國際上率先突破了小空腔(0.5毫米)葉片對壁無損傷微孔加工的世界技術難題，在國內率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結構掃描成形技術，實現(xiàn)了超高精度(±2微米)及異型氣膜孔的高品質加工，為新型航空發(fā)動機葉片的研制提供了重要的技術支撐。

　　▲航空發(fā)動機。(資料圖)

　　在弘光專項項目支持下，西安中科微精光子制造科技有限公司實現(xiàn)了系列化超快激光極端制造裝備的產(chǎn)業(yè)化。截至目前，已建成1條核心部件及3條極端精細制造裝備的中試生產(chǎn)線，相關產(chǎn)品已在中國航發(fā)商發(fā)、中國航發(fā)西航、中國航發(fā)黎明、貴陽精鑄、中國航發(fā)航材院等20余家航空航天領域優(yōu)勢單位得到應用，為我國航空航天發(fā)動機關重件加工提供了新的加工手段和裝備，有力地推動了我國航空航天發(fā)動機領域的技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　▲系列化超快激光極端制造設備，可滿足各領域對超精細冷加工的制造需求。

　　針對航空領域，在國內率先利用超快激光極端制造技術攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復雜微結構制造難題，實現(xiàn)了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細冷加工”，解決了現(xiàn)有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷的問題，完成了國產(chǎn)發(fā)動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證，為國產(chǎn)大飛機發(fā)動機換上“中國心”打下堅實基礎。

　　針對航天領域，攻克了50±2微米高品質鉆孔技術，將航天推進器流量控制板的控制精度提升三個數(shù)量級(由毫克/秒提升至微克/秒)，減少燃料攜帶量約20%，并成功應用于世界首套在軌驗證的磁聚焦霍爾推進系統(tǒng)，促進了航天推進系統(tǒng)升級。

　　內容延伸

　　葉片上為何要打孔?為何一定要激光打孔?它的難度有多大?

　　這個小孔叫做氣膜冷卻孔，其作用就是解決航空發(fā)動機在超高溫(1700℃)及超高壓等苛刻條件下冷卻問題。

　　飛秒激光技術又是怎么回事呢?

　　飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續(xù)時間非常短，屬于飛秒量級，1飛秒就是1/1000萬億秒， 光一秒可以繞地球七圈半，而1飛秒只能走過頭發(fā)絲1/200的長度，這是飛秒激光的第一個特點。飛秒激光的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個特點是，它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小許多的空間區(qū)域。因而，這樣加工時切面整齊、無熱擴散、無微裂紋及冶金缺陷，加工過程中不會對所涉及的空間范圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的超精細。

　　飛秒激光的優(yōu)點就是熱量不傳導，不損傷材料，能量來不及釋放該脈沖已經(jīng)結束，避免了能量的轉移，轉化熱量的存在和熱擴散，實現(xiàn)了真正意義上的激光“冷”加工。所以叫做“冷加工”。通過各種光學鏡讓一束激光在“運動”中完成精準的打孔。相比于電火花、長脈沖等加工方式，飛秒激光加工不改變材料結構、不產(chǎn)生相變、表面完整性好，已成為航空、航天、電子等領域超精細低損傷的最佳選擇。

　　（來源：軍報記者，西安日報，航空制造網(wǎng)）

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