發(fā)動(dòng)機(jī)展臺(tái)上的高壓渦輪盤(pán)

前不久，中航發(fā)動(dòng)機(jī)展臺(tái)上有這么一件展品，這個(gè)展品是一個(gè)高壓渦輪盤(pán)，高壓渦輪盤(pán)的最外圈是一排渦輪葉片，在渦輪葉片上我們能看到很多排細(xì)小的氣孔。渦輪葉片的工作環(huán)境很惡劣，要承受很大的離心力，為什么還要在渦輪葉片上打孔呢？

這個(gè)還要從渦輪葉片的工作環(huán)境說(shuō)起。以美國(guó)F22戰(zhàn)斗機(jī)配套的F119發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其渦輪前進(jìn)氣溫度為1973K，換算為攝氏度就是1700℃。而F119發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用的是第二代單晶高溫合金CMSX-4，其工作溫度1040℃，熔點(diǎn)是1343℃。換句話說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟缺葐尉Ц邷睾辖鸬娜埸c(diǎn)還要高出近四百度，那么燃?xì)獯翟跍u輪葉片上，它不會(huì)被融化嗎？渦輪葉片當(dāng)然不能被融化，那么就需要采用冷卻措施來(lái)降溫，以保證渦輪葉片能夠正常工作。常用的冷卻措施包括在渦輪葉片上噴涂熱障涂層，或者采用氣膜冷卻技術(shù)。熱障涂層通常能夠提供兩三百度的冷卻溫度，剩下的近四百度冷卻溫度就要靠氣膜冷卻技術(shù)了。

采用氣膜冷卻技術(shù)的渦輪葉片

我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)氣膜冷卻，所謂氣膜冷卻就是在葉片表面打很多氣孔，在葉片內(nèi)部注入高壓冷卻空氣，經(jīng)氣孔排出，在葉片表面形成一層溫度較低的空氣膜將高溫的燃?xì)夂蜏u輪葉片隔開(kāi)。從上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始，發(fā)達(dá)國(guó)家就掌握了氣膜冷卻技術(shù)，并且憑借這一先進(jìn)技術(shù)確立起了航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。而我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)落后跟沒(méi)有掌握先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)也有很大關(guān)系。

氣膜冷卻的渦輪葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

氣膜冷卻一般通過(guò)在渦輪葉片上打大量不同直徑的氣膜孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，孔徑約為100~700微米，且空間分布復(fù)雜，多為斜孔，角度為15°到90°不等。早期氣膜孔為簡(jiǎn)單的圓形孔，為了提高冷卻效率，后發(fā)展為扇形或矩形等異形孔，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到復(fù)雜的異形孔如貓耳形孔。

這三種氣膜孔從上到下分別是圓形孔、扇形孔和貓耳形孔

因?yàn)闅饽た字睆胶苄《倚螤顝?fù)雜，無(wú)法靠鑄造直接成型，因此都是在鑄造完畢后另行加工的，這就給加工帶來(lái)極大的難度。目前主流的方法是電火花機(jī)床加工，但工具電極制造極為困難，很難加工小于200微米的孔，但是復(fù)雜異形孔往往需要50微米的加工精度而且要有三維精密加工能力，這對(duì)電火花加工來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)。而且，渦輪葉片表面通常要覆蓋一層熱障涂層、一般是陶瓷材料，因?yàn)椴粚?dǎo)電，采用傳統(tǒng)電火花機(jī)床無(wú)法加工。只能先打孔再噴涂熱障涂層，然后再擴(kuò)孔的方法。但是需要頻繁的檢測(cè)及二次擴(kuò)孔。二次擴(kuò)孔又面臨精確對(duì)準(zhǔn)難題，而且會(huì)對(duì)孔周邊的涂層產(chǎn)生損傷，因此氣膜孔加工的質(zhì)量難以保證。隨著未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料逐漸走向非金屬化，電火花加工更不靠譜。

隨后又發(fā)展了超聲-電火花加工，先用超聲穿透陶瓷涂層，再用電火花加工金屬部分?；蛘呦扔脧?qiáng)激光打穿陶瓷涂層，再用弱激光加工金屬部分。這基本上都是復(fù)合加工，沿用的都是先涂層再打孔的思路，但是這樣工藝復(fù)雜，很不理想。對(duì)單晶葉片來(lái)說(shuō)還有個(gè)難題要克服，那就是熱損傷，因此技術(shù)難度更大。

上個(gè)世紀(jì)六十年代又發(fā)展了電化學(xué)射流也就是電液束流加工技術(shù)來(lái)加工葉片，這一技術(shù)可以獲得無(wú)再鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)表面，但加工效率很低。而且存在雜散腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致開(kāi)孔的輪廓形狀難以控制，因此也不是一種理想的氣膜孔加工手段。

要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)氣膜孔冷卻技術(shù)，需要拋棄先開(kāi)孔后涂層的加工工藝。要在一次裝卡過(guò)程完成全部加工，也就是要實(shí)現(xiàn)單步單機(jī)打孔。這樣就只能考慮用激光來(lái)加工，早期激光加工多采用毫秒級(jí)激光，但是這樣的長(zhǎng)脈沖激光熱影響區(qū)嚴(yán)重，不適合單晶葉片。后來(lái)飛秒激光的出現(xiàn)才解決了問(wèn)題。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(wàn)億秒。它的瞬時(shí)功率非常高，可達(dá)到百萬(wàn)億瓦。能量來(lái)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。這樣加工時(shí)切面整齊、無(wú)熱擴(kuò)散、無(wú)微裂紋及冶金缺陷，加工過(guò)程中不會(huì)對(duì)所涉及的空間范圍的周?chē)牧显斐捎绊?，從而做到了加工的超精?xì)。

右邊這個(gè)是貓耳形氣膜孔的實(shí)際外形照片

2017年，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，開(kāi)發(fā)出國(guó)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。在國(guó)際上率先突破了小空腔0.5毫米葉片對(duì)壁無(wú)損傷微孔加工的世界技術(shù)難題，在國(guó)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50±2微米及異型氣膜孔的高品質(zhì)加工，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)提供了重要的技術(shù)支撐，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。完成了國(guó)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。

超高精度的氣膜孔

而且，這一技術(shù)也為我國(guó)發(fā)展渦輪葉片發(fā)散冷卻技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)。發(fā)散冷卻又稱發(fā)汗冷卻，可以實(shí)現(xiàn)比氣膜冷卻更高的冷卻溫度。但實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度也更大，因?yàn)榘l(fā)散冷卻需要在葉片表面開(kāi)更多更小的氣孔，完全覆蓋葉片表面。而飛秒激光打孔就有這樣的潛力。雖然無(wú)法確定展臺(tái)上的渦輪葉片是否使用了飛秒激光打孔技術(shù)，但我們確確實(shí)實(shí)掌握了這一先進(jìn)技術(shù)。關(guān)于氣膜冷卻技術(shù)我們先說(shuō)到這里，下次來(lái)我們來(lái)談?wù)勎覈?guó)在熱障涂層技術(shù)上的創(chuàng)新。