飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115055845A(43)申请公布日2022.09.16(21)申请号202210989049.9(22)申请日2022.08.17(71)申请人西北工业大学地址710000陕西省西安市碑林区友谊西路127号(72)发明人温志勋李萌王平李振威刘禹行卢广先王成岳珠峰(74)专利代理机构北京知汇林知识产权代理事务所(普通合伙)11794专利代理师杨华(51)Int.Cl.B23K26/382(2014.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法(57)摘要本发明属于涡轮叶片技术领域，具体涉及一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，包括以下步骤：S1.定位：对待加工空心涡轮叶片进行姿态调整，并对制孔位置进行精确定位和坐标记录；S2.分步进行飞秒激光旋切，包括飞秒激光快速旋切通孔和飞秒激光精细旋切目标孔。本发明能够有效提升现有飞秒激光制备气膜孔的加工效率、几何精度和表面质量，从而促进飞秒激光制孔技术广泛成熟应用于涡轮叶片的冷却气膜孔制备。CN115055845ACN115055845A权利要求书1/1页1.一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.定位：对待加工空心涡轮叶片进行姿态调整，对制孔位置进行精确定位和坐标记录；S2.分步进行飞秒激光旋切，包括飞秒激光快速旋切通孔和飞秒激光精细旋切目标孔。2.根据权利要求1所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，所述S1前还包括以下步骤：S0.对待加工空心涡轮叶片的空腔使用填充物进行填充，用以避免激光对叶片后壁的损伤，所述S2后还包括以下步骤：S3.去除填充物。3.根据权利要求1或2所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S21.第一步飞秒激光快速旋切：进行第一步飞秒激光旋切快速预制通孔；S22.第二步飞秒激光精细旋切：优化加工参数，进行第二步飞秒激光旋切制备规定尺寸的目标孔。4.根据权利要求2所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在所述S3后还包括以下步骤：S4.对加工形成的气膜孔几何尺寸和表面质量检测。5.根据权利要求2所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S0中，所述的填充物为刚玉砂；定位的夹具根据涡轮叶片的榫头尺寸设计。6.根据权利要求1所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S1中，通过调整x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度α、β、γ，用以实现待加工叶片的任意姿态调整。7.根据权利要求6所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S2中，螺旋旋切扫描的直径可以通过起始孔径角𝜃1和结束孔径角𝜃2进行调节，加工气膜孔孔径范围为0.2‑1.4mm；扫描孔径和孔径角的关系为：，式中，f：聚焦镜焦距，单位为mm；a：光楔角，单位为°；n：折射率；𝜃：孔径角，也称偏转光楔组相位差。8.根据权利要求3所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S21中，预制通孔的尺寸小于目标孔尺寸，并且可采用较为激进的加工参数，以快速实现第一步旋切通孔。9.根据权利要求3所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S22中，优化的加工参数主要有激光器功率P、激光重复频率F、激光离焦量b、起始孔径角𝜃1、结束孔径角𝜃2、旋转速度V、螺旋扫描线间距l、单层螺旋扫描时间t、单层扫描焦点下移量h，在制孔的过程中调整这些参数。10.根据权利要求4所述的飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法，其特征在于，在步骤S4中，几何尺寸包括气膜孔的孔径、圆度、锥度指标，表面质量包括再铸层、热影响区、微裂纹、孔壁粗糙度指标。2CN115055845A说明书1/4页飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法技术领域[0001]本发明属于涡轮叶片技术领域，具体涉及一种飞秒激光分步旋切加工高质量涡轮叶片冷却气膜孔的方法。背景技术[0002]提高燃气涡轮进口温度是提高燃气涡轮发动机功率、热效率等性能的最重要技术途径之一。空心单晶涡轮叶片由于采用了气膜孔冷却技术，可以在远超材料耐温极限的温度下运行。尽管该方式有效降低了叶片表面的温度，但是冷却气膜孔的引入破坏了涡轮叶片的结构完整性，引起应力集中，在热应力、离心力、气动力等复杂载荷的作用下，这些危险部位将严重威胁到涡轮叶片的结构强度。更值得注意的是，制孔工艺不良引起的气膜孔孔周再铸