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我国突破航空发动机叶片超精细“冷加工”技术 推力有望大增

更新时间:2018-11-13 06:21

涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件,其中涡轮叶片的工作环境尤为恶劣,在发动机循环中,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。发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低,而涡轮叶片材料的影响限制了其温度的控制。

为提高涡轮叶片的性能和使用寿命,进而提高发动机的性能,采用气膜冷却技术具有其代表性,同时对气膜孔加工技术提出了更高要求。

日前,在中国科学院召开的新闻发布会上获悉,中国科学院西安光学精密机械研究所开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器,研制出系列化超快激光极端制造装备,实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破,填补了国内空白,达到了国际先进水平。

▲航空发动机。(资料图)

在航空领域,航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,其制造水平代表着一个国家的科技、工业和国防实力。

当前,我国已启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项,力争突破“两机”关键核心技术,推动“两机”产品研制。然而,现有加工手段容易导致航空发动机关重件出现各种制造缺陷,严重影响了新一代航空发动机的研制和生产。在航天领域,卫星电推进器等关重件存在微米级加工精度、高表面质量、大幅曲面薄壁结构等极端制造瓶颈,极大影响了航天飞行器的性能、寿命及可靠性。

中国科学院西安光学精密机械研究所瞄准航空、航天等战略领域对极端精密制造装备的重大需求,在中国科学院科技成果转移转化重点专项(弘光专项)项目“航空航天发动机极端精细制造装备”等的支持下,在国际上率先突破了小空腔(0.5毫米)叶片对壁无损伤微孔加工的世界技术难题,在国内率先攻克了高精度、三维可编程、异型微结构扫描成形技术,实现了超高精度(±2微米)及异型气膜孔的高品质加工,为新型航空发动机叶片的研制提供了重要的技术支撑。

▲航空发动机。(资料图)

在弘光专项项目支持下,西安中科微精光子制造科技有限公司实现了系列化超快激光极端制造装备的产业化。截至目前,已建成1条核心部件及3条极端精细制造装备的中试生产线,相关产品已在中国航发商发、中国航发西航、中国航发黎明、贵阳精铸、中国航发航材院等20余家航空航天领域优势单位得到应用,为我国航空航天发动机关重件加工提供了新的加工手段和装备,有力地推动了我国航空航天发动机领域的技术进步和产业发展。

▲系列化超快激光极端制造设备,可满足各领域对超精细冷加工的制造需求。

针对航空领域,在国内率先利用超快激光极端制造技术攻克了新型超高温单晶材料和高精度复杂微结构制造难题,实现了对高压涡轮叶片气膜孔的“超精细冷加工”,解决了现有电火花、长脉冲激光加工工艺存在重铸层、微裂纹、再结晶等缺陷的问题,完成了国产发动机多型号、多批次高压涡轮单晶叶片的气膜孔加工及验证,为国产大飞机发动机换上“中国心”打下坚实基础。

针对航天领域,攻克了50±2微米高品质钻孔技术,将航天推进器流量控制板的控制精度提升三个数量级(由毫克/秒提升至微克/秒),减少燃料携带量约20%,并成功应用于世界首套在轨验证的磁聚焦霍尔推进系统,促进了航天推进系统升级。

内容延伸

叶片上为何要打孔?为何一定要激光打孔?它的难度有多大?

这个小孔叫做气膜冷却孔,其作用就是解决航空发动机在超高温(1700℃)及超高压等苛刻条件下冷却问题。

飞秒激光技术又是怎么回事呢?

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,属于飞秒量级,1飞秒就是1/1000万亿秒, 光一秒可以绕地球七圈半,而1飞秒只能走过头发丝1/200的长度,这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是,它能聚焦到比头发的直径还要小许多的空间区域。因而,这样加工时切面整齐、无热扩散、无微裂纹及冶金缺陷,加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响,从而做到了加工的超精细。

飞秒激光的优点就是热量不传导,不损伤材料,能量来不及释放该脉冲已经结束,避免了能量的转移,转化热量的存在和热扩散,实现了真正意义上的激光“冷”加工。所以叫做“冷加工”。通过各种光学镜让一束激光在“运动”中完成精准的打孔。相比于电火花、长脉冲等加工方式,飞秒激光加工不改变材料结构、不产生相变、表面完整性好,已成为航空、航天、电子等领域超精细低损伤的最佳选择。

来源:航空制造网整理 资料源:军报记者,西安日报,航空制造网

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