01
Въведение в тази статия
Свръхбързата лазерна технология е усъвършенствана технология, която генерира светлинни импулси с висок-интензитет за изключително кратко време и нейните приложения в космическата област все повече привличат вниманието. Тази технология е известна с изключителното си представяне при измерване, производство и комуникация, а широкото й приложение в аерокосмическото инженерство предоставя нови възможности за подобряване на производителността и безопасността на самолетите.
Свръхбързите лазери обикновено се отнасят за лазери с ширина на импулса по-малка от 10^-12 секунди, включително главно фемтосекундни лазери (1 fs=10^-15 s) и пикосекундни лазери (1 ps=10^-12 s). Тъй като свръхбързите лазерни импулси действат за изключително кратка продължителност, те могат мигновено да произведат много висока пикова мощност. Следователно, за разлика от обичайните методи за лазерна обработка, които действат върху материали чрез фототермични ефекти, механизмът за обработка на свръхбързите лазери е директно поглъщане на електронно състояние, което прехвърля енергия към решетката на материала, разкъсва връзките му и накрая я изхвърля като плазма. Освен това, за разлика от термичната обработка на обикновените непрекъснати лазери, ултрабързата лазерна обработка е в съответствие с метода на "студена обработка". От гледна точка на механизма на взаимодействие между лазера и материала, фемтосекундната лазерна обработка може да постигне висока прецизност, минимални термично засегнати зони, без термично топене, без преработен слой и без микропукнатини. Това е един от най-добрите методи за подобряване на целостта на повърхността на образуването на отвор за охлаждане на турбинни лопатки в авиационни двигатели.
02 Специфични приложения (1) Обработка на отвори за газов филм на турбинни лопатки на авиационни двигатели
Като основен компонент на авиационен двигател, дизайнът, качеството на производство и експлоатационните характеристики на турбинните лопатки влияят на експлоатационния живот на двигателя. Обикновено термичните бариерни покрития се нанасят върху повърхността на високо-температурни сплави, за да придадат на остриетата висока издръжливост, висока пластичност, устойчивост на корозия и устойчивост на висока-температура. Освен това на повърхността са проектирани отвори за газов филм. Чрез изпускане на студен въздух от вътрешността на компонента и създаване на въздушен поток през малки дупки, на повърхността се образува защитен филм от студен въздух, който изолира горещия газ и предпазва компонента. Въпреки това, настоящите методи за обработка, като електроразрядна обработка и лазерна обработка с дълъг-импулс, имат недостатъци, включително не-проводими топлинни бариерни слоеве, разслояване на покритието, пукнатини и отчупване на покритието, което затруднява производството на добре-оформени малки отвори.
С развитието на технологията за ултрабърза лазерна обработка, фемтосекундните лазери сега се използват за създаване на газови отвори върху турбинните лопатки без разслояване на покритието или пукнатини и с размери, отговарящи на техническите изисквания. Това осигурява нова технология за производство на отвори за газов филм в компоненти на авиационни двигатели.
Обработката на многобройни отвори за охлаждане на газовия филм върху лопатките на турбината с-термично бариерно покритие е от решаващо значение за прилагането на високо-производителни двигатели с високо съотношение-към-тегло, като по този начин поставя по-високи изисквания за обработката на тези покрити лопатки. Фемтосекундна лазерна технология за обработка на микро-отвори, със своите предимства на висока прецизност, високо качество и студена обработка, позволява високо{6}}качествена обработка на микро-отвори за двигатели. С непрекъснати подобрения в технологията за фемтосекундно лазерно пробиване вече е възможно да се постигне високо-прецизна обработка на дупки за газов филм върху остриета с -термична бариера без повторно-разтопени слоеве, микро-пукнатини или зони,-засегнати от топлина, като същевременно се гарантира, че покритието на термичната бариера не почернява или се отлепва след обработка. Следователно фемтосекундната лазерна технология за обработка на микро-дупки е готова да се превърне във важен метод за производство на отвори за газов филм върху турбинни лопатки с-термално бариерно покритие.
(2) Обработка на филмови охлаждащи отвори в горивната камера на авиационни двигатели
Пламъчната тръба е основен компонент на горивната камера на авиационния двигател и една от най-важните термо{0}}устойчиви части. За да се гарантира, че пламъчната тръба работи стабилно и непрекъснато при екстремно високи-температурни условия, тя трябва да се охлажда. Понастоящем често срещаният метод включва комбинация от покрития и перфорации. Използването на дълго-импулсна лазерна обработка може да причини дефекти като аблация на покритието, разпръскване и отчупване на ръбовете, които значително влияят върху експлоатационния живот на пламъчната тръба. Понастоящем използването на пикосекундна лазерна обработка може да създаде дупки за охлаждане на филма без разслояване или лющене на повърхността с голяма-площ и размери, които отговарят на техническите изисквания, както е показано на фигури 2 и 3.
(3) Обработка на специални-оформени канали в авиационни двигатели
Ефективността на уплътняването има важно влияние върху работата на авиационните двигатели. През последните години с развитието на авиационната индустрия производителността на двигателя непрекъснато се подобрява, а условията на работа стават все по-сложни. Повредите, причинени от неправилно функциониране на уплътнението на двигателя, нарастват и тези проблеми трябва спешно да бъдат решени. Поради това са предложени нови изисквания за технологията за уплътняване на двигателя. Уплътненията с върха на пръста са нов тип устройство, което може да се използва за уплътняване на основната лагерна камера и пътищата на въздушния поток на авиационни двигатели. Обработката на компонентите на пръстовото уплътнение изисква висока точност. Текущата механична обработка, обработка с електрически разряд и лазерна обработка с дълъг-импулс не могат да разрешат проблеми като изкривяване и деформация, генерирани по време на обработката. Въпреки това, фемтосекундните лазери, поради тяхната изключително висока енергийна плътност и много кратко време за обработка, осигуряват висока ефективност и прецизност в процеса на обработка. Не се появяват дефекти като преработени слоеве, пукнатини или неравности върху компонентите на уплътнението на върха на пръста, осигурявайки нов метод за обработка на канали със специална-форма във високо-прецизни части на авиационни двигатели.
03
Заключения и перспективи
Като усъвършенствана технология за обработка на материали и производство, свръхбързата лазерна обработка има широки перспективи за приложение в областта на производството на аерокосмически двигатели. При инженерното приложение на свръхбърза лазерна обработка трябва да се избират различни параметри на лазерния процес според характеристиките на материала, за да се намалят стъпките на процеса, да се подобри ефективността на обработката и да се гарантира точността на качеството и размерите на формоване на материала. С развитието на свръхбърза лазерна технология и подобряването на оптимизацията на процесите, проблеми като ниска ефективност на обработка и ограничена обработваема дебелина ще бъдат ефективно решени. Освен това технологията за двойна-импулсна лазерна обработка, която съчетава ултрабърза лазерна обработка с дълга-импулсна лазерна обработка, ще бъде бъдещата посока за подобряване на качеството и ефективността.
