渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)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(dòng)機(jī)循環(huán)中，承受著燃燒后的高溫高壓燃?xì)鉀_擊，其制造技術(shù)也被列為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)性能很大程度上取決于渦輪進(jìn)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(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，采用氣膜冷卻技術(shù)具有其代表性，同時(shí)對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了更高要求。

　　日前，在中國科學(xué)院召開的新聞發(fā)布會(huì)上獲悉，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，研制出系列化超快激光極端制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

　　▲航空發(fā)動(dòng)機(jī)。(資料圖)

　　在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，其制造水平代表著一個(gè)國家的科技、工業(yè)和國防實(shí)力。

　　當(dāng)前，我國已啟動(dòng)實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，力爭(zhēng)突破“兩機(jī)”關(guān)鍵核心技術(shù)，推動(dòng)“兩機(jī)”產(chǎn)品研制。然而，現(xiàn)有加工手段容易導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件出現(xiàn)各種制造缺陷，嚴(yán)重影響了新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)。在航天領(lǐng)域，衛(wèi)星電推進(jìn)器等關(guān)重件存在微米級(jí)加工精度、高表面質(zhì)量、大幅曲面薄壁結(jié)構(gòu)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(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞄準(zhǔn)航空、航天等戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)�極端精密制造裝備的重大需求，在中國科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項(xiàng)(弘光專項(xiàng))項(xiàng)目“航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)極端精細(xì)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(duì)壁無損傷微孔加工的世界技術(shù)難題，在國內(nèi)率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結(jié)構(gòu)掃描成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超高精度(±2微米)及異型氣膜孔的高品質(zhì)加工，為新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研制提供了重要的技術(shù)支撐。

　　▲航空發(fā)動(dòng)機(jī)。(資料圖)

　　在弘光專項(xiàng)項(xiàng)目支持下，西安中科微精光子制造科技有限公司實(shí)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(xì)制造裝備的中試生產(chǎn)線，相關(guān)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(lǐng)域優(yōu)勢(shì)單位得到應(yīng)用，為我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件加工提供了新的加工手段和裝備，有力地推動(dòng)了我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　▲系列化超快激光極端制造設(shè)備，可滿足各領(lǐng)域?qū)Τ�精�?xì)冷加工的制造需求。

　　針對(duì)航空領(lǐng)域，在國內(nèi)率先利用超快激光極端制造技術(shù)攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細(xì)冷加工”，解決了現(xiàn)有電火花、長(zhǎng)脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷的問題，完成了國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)多型號(hào)、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗(yàn)證，為國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)換上“中國心”打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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

　　內(nèi)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(gè)小孔叫做氣膜冷卻孔，其作用就是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)又是怎么回事呢?

　　飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，屬于飛秒量級(jí)，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(zhǎng)度，這是飛秒激光的第一個(gè)特點(diǎn)。飛秒激光的第二個(gè)特點(diǎn)是具有非常高的瞬時(shí)功率，可達(dá)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(gè)特點(diǎn)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(shí)切面整齊、無熱擴(kuò)散、無微裂紋及冶金缺陷，加工過程中不會(huì)對(duì)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(xì)。

　　飛秒激光的優(yōu)點(diǎn)就是熱量不傳導(dǎo)，不損傷材料，能量來不及釋放該脈沖已經(jīng)結(jié)束，避免了能量的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化熱量的存在和熱擴(kuò)散，實(shí)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(xué)鏡讓一束激光在“運(yùn)動(dòng)”中完成精準(zhǔn)的打孔。相比于電火花、長(zhǎng)脈沖等加工方式，飛秒激光加工不改變材料結(jié)構(gòu)、不產(chǎn)生相變、表面完整性好，已成為航空、航天、電子等領(lǐng)域超精細(xì)低損傷的最佳選擇。

　　（來源：軍報(bào)記者，西安日?qǐng)?bào)，航空制造網(wǎng)）

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