渦輪葉片先進(jìn)氣膜冷卻與相關(guān)激光打孔技術(shù)進(jìn)展

（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201）

氣膜冷卻技術(shù)的演化趨勢

航空發(fā)動機對推重比的要求日益提升，導(dǎo)致發(fā)動機渦輪前工作溫度進(jìn)一步提升。推重比10發(fā)動機的渦輪前燃?xì)鉁囟燃s為1940K，未來第五代戰(zhàn)機發(fā)動機的推重比將高達(dá)15～20左右，渦輪前燃?xì)鉁囟葹?100～2300K。隨著渦輪前燃?xì)鉁囟鹊拇蠓岣?，在使用先進(jìn)耐溫材料和耐溫?zé)嵴贤繉拥幕A(chǔ)上，必須使用先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)，才能實現(xiàn)渦輪葉片的長期可靠工作。

渦輪葉片氣膜冷卻通過葉片的內(nèi)部冷卻通道將相對低溫氣體（約900K）通過分布于葉片表面的氣膜冷卻孔噴射出來，在葉片表面形成包覆，隔離燃燒室噴出的高溫高壓氣體?？梢杂茫海?）等效絕熱冷卻效率Eff；（2）相對來流溫度，一定降溫幅度（如單孔降溫100K、200K、300K面積）的保護面積；（3）吹風(fēng)比M來綜合評估某氣膜的有效性。

等效絕熱冷卻效率定義為：

其中，T∞為燃?xì)鉁囟?，Tw為葉片表面溫度，Tj為冷卻射流溫度。相對燃?xì)鉁囟?，壁面溫差與射流溫差之比反映了氣膜的冷卻效率，越接近1，冷卻效果越好。

吹風(fēng)比M定義為：

式中，ρj為射流密度，Vj為射流速度，ρ∞為來流密度，V∞為來流速度。吹風(fēng)比越大，所耗冷氣越多。理想的情況是用最少的冷氣實現(xiàn)最大面積、最大程度的冷卻，當(dāng)冷卻能力需要提升時，希望能通過提高吹風(fēng)比M來實現(xiàn)。

單晶葉片由于沒有常規(guī)合金的晶界缺陷，可以耐受更高溫度下的交變載荷。但即使是目前最先進(jìn)的單晶金屬，其熔點也很難超過1500K。更耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料CMC仍然無法直接滿足2100K的高溫環(huán)境。高端發(fā)動機渦輪葉片所面臨的300～700K溫度缺口必須通過新型熱障涂層和強力氣膜冷卻雙管齊下來補齊。

先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度降低對涂層和基體材料的要求，可以把高吹風(fēng)比下貼附性好、可以形成大面積0.5以上等效冷卻系數(shù)的氣膜技術(shù)稱為“先進(jìn)氣膜冷卻”。

如圖1[1]所示，早期的金屬葉片通過使用中空結(jié)構(gòu)和簡單直圓氣膜孔大幅度地提高了葉片工作溫度。但直圓孔的氣膜貼附性不好，高吹風(fēng)比下性能無法持續(xù)提高。因此，美國GE公司等于1985年前后開始采用三維異型孔，以實現(xiàn)更優(yōu)的氣動外形，氣膜孔的形狀從直邊簸箕斗形狀發(fā)展為曲線過渡的復(fù)雜異型孔，冷卻效率從直圓孔的0.3左右大幅度躍升到0.5以上[1]。西方發(fā)動機廠商已經(jīng)將異型孔用到四代、五代飛機上，中國則由于種種原因尚未使用復(fù)雜異形孔，直接導(dǎo)致了冷卻技術(shù)的代差，間接導(dǎo)致了發(fā)動機的整體代差。

歷史表明，單純依靠基體材料和涂層的改進(jìn)，發(fā)動機的可靠性很難保證，工作溫度很難比肩國際先進(jìn)水平。因此，用復(fù)雜異型孔實現(xiàn)先進(jìn)氣膜冷卻是我國新型發(fā)動機必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 航空發(fā)動機氣膜冷卻技術(shù)演化歷史Fig.1 History of film cooling technology in aircraft engines

從仿真分析看異型氣膜孔的重要性

氣膜冷卻孔從圓形孔發(fā)展到異型孔再發(fā)展到復(fù)雜異型孔，為發(fā)動機冷卻性能的提升做出了重大貢獻(xiàn)。葉片冷卻效率在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了進(jìn)一步提升的技術(shù)瓶頸，異型孔技術(shù)隨即興起。眾多的研究表明，異型孔相對直圓孔有多方面優(yōu)勢，其中貓耳異型孔（見圖2）綜合優(yōu)勢突出[2-6]，本文將重點討論。

如圖2所示，我們對直圓孔和貓耳異型孔的溫度、流場進(jìn)行了仿真分析，兩種孔的最小直徑均為0.5mm，燃?xì)鈦砹鳒囟?900K，射流冷流溫度900K，吹風(fēng)比M為 0.5、1、2。圖 3 比較了M=2時兩種孔的溫度剖面，可以明顯地看出，直圓孔只在很接近孔邊的區(qū)域降低了溫度，下游由于冷氣的剝離，導(dǎo)致大面積的壁面溫度接近于燃?xì)鉁囟?。貓耳異型孔則表現(xiàn)出卓越的大面積壁面降溫能力，單孔150K中心線保護長度超過20mm，300K長度超過11mm。因此，可望通過使用較少的異型孔，實現(xiàn)必須用高密度直圓孔才能實現(xiàn)的冷卻性能，從而較好地兼顧結(jié)構(gòu)強度和冷卻溫控之間的矛盾。

圖4的流體分布揭示了兩者之間的區(qū)別。直圓孔在高速射流時，冷氣絕大部分會脫離葉片表面，復(fù)雜異型孔正是針對此傾向，嘗試了橫向擴展和前向擴展，從而實現(xiàn)了大范圍的氣膜貼附。貓耳異型孔的復(fù)合角度和特殊的橫向?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)，使得其出口處形成微渦，下游冷氣能夠很好地緊貼壁面，吹風(fēng)越強，貼附性越好，這正是工程上所需要的。

圖2 貓耳異型孔及其氣膜冷卻仿真分析示意Fig.2 Cat-ear shaped hole and numerical simulation of film cooling

圖3 吹風(fēng)比為2時直圓孔和異型孔的溫度場分布對比Fig.3 Temperature field comparison between cylindrical holes and shaped holes at blowing ratio 2

圖5比較了兩種孔吹風(fēng)比M從0.5增加到2時的中心線等效冷卻系數(shù)的變化。直圓孔緊鄰孔處冷卻系數(shù)高，但吹風(fēng)比增大時保護面積和程度反而降低；貓耳異型孔等效冷卻系數(shù)則隨M增加而增加，給予設(shè)計廣闊的空間，可以通過增大吹風(fēng)比來擴大保護面積和冷卻程度。

氣膜冷卻時, 冷卻射流和主流邊界層的混合會增強擾動,從而局部抬高傳熱系數(shù)，尤其是在射流的下游區(qū)域。多孔射流時, 將產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的高傳熱區(qū)域和低傳熱區(qū)域。擾流一般不利隔熱，應(yīng)該盡可能抑制，單孔優(yōu)化之外還必須全局考慮群孔的排布優(yōu)化，需要平衡冷氣用量最小化、結(jié)構(gòu)強度最大化和冷卻隔熱最強化的綜合需求，最終實現(xiàn)葉片級的氣動熱力最優(yōu)設(shè)計。

與國外相比，國內(nèi)對復(fù)雜異型孔的研究以仿真為主，很少進(jìn)行復(fù)雜異型孔的試驗驗證，原因是設(shè)計出來的形狀無法合格地加工出來，深層原因是必須低損傷穿越熱障涂層/高溫合金復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三維加工，還需要實現(xiàn)葉片級的群孔排布和群孔加工，設(shè)計、仿真、工藝三者缺一不可。

圖4 吹風(fēng)比為2時直圓孔和異型孔的流場分布對比Fig.4 Flow field comparison between cylindrical holes and shaped holes at blowing ratio 2

圖5 直圓孔和貓耳異型孔在不同吹風(fēng)比下的等效冷卻系數(shù)對比Fig.5 Comparison of equivalent cooling effectiveness between cylindrical holes and cat-ear shaped holes

復(fù)雜異型孔加工所面臨的挑戰(zhàn)和工藝選擇

目前，我國渦輪發(fā)動機葉片使用的是新型高溫合金與熱障陶瓷涂層TBC的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，使用“先打孔，后涂層”的電加工工藝路線。電加工的優(yōu)點是穿孔后可以通過電信號的變化及時停止加工，從而較好地控制背面損傷，但電加工在復(fù)雜異型孔加工上面臨技術(shù)瓶頸：（1）由于電極的局限，電加工分辨率一般大于200μm，而復(fù)雜異型孔需要50μm分辨率和三維精密加工能力；（2）電加工由于無法穿越非導(dǎo)電的熱障陶瓷層而必須分步加工，需要“先打孔，后涂層，再擴孔”。涂覆會導(dǎo)致冷卻孔的縮孔甚至堵塞，所以必須配合繁雜的后續(xù)檢測和二次擴孔。二次加工面臨精確對準(zhǔn)難題，對孔周邊涂層的完整性也可能造成損傷。因此，氣膜孔的一致性和可靠性很難高質(zhì)量保證。

為提高加工效率，減少氣膜孔再鑄層，國內(nèi)外對冷卻孔的復(fù)合加工工藝進(jìn)行了一系列研究。美國GE公司開發(fā)了激光-電火花復(fù)合加工工藝，利用激光去除絕緣陶瓷涂層，然后在合金材料上用電火花加工孔型[7]。國外還開發(fā)了雙激光打孔技術(shù),即用強激光加工涂層, 再用弱激光加工基體的小孔, 提高加工質(zhì)量[8]。英國伯明翰大學(xué)研究了超聲-電火花組合加工工藝，利用超聲工具穿透陶瓷涂層，然后利用電火花加工或者超聲輔助電火花加工基體合金材料[9]。工藝水平的提升依賴于對加工機理的清晰認(rèn)識和對工藝過程的精確控制，目前國外正在加強復(fù)合加工工藝的基礎(chǔ)研究[10-13]。復(fù)合加工是氣膜冷卻孔加工發(fā)展的一個熱點，初步解決了“先涂層，后打孔”的問題，但工藝過程復(fù)雜，遠(yuǎn)非理想工藝。

對新型單晶葉片來講，為保證氣膜孔周邊材料性能不出現(xiàn)惡化，需要嚴(yán)格控制孔加工工藝的熱損傷。因此，TBC/單晶葉片對打孔工藝提出了苛刻的要求，特種電化學(xué)加工和特種激光加工成為單晶葉片為數(shù)不多的可選工藝。

從20 世紀(jì)60 年代起，國內(nèi)外開始探索電化學(xué)射流（電液束流）加工高溫合金的工藝，陰極電極采用玻璃管（內(nèi)嵌金屬絲）或涂有絕緣層的金屬管兩種方式。美國GE公司利用該技術(shù)實現(xiàn)了直徑為0.2～6mm、深徑比300:1的深孔工程化加工；英國、德國也對此技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在國內(nèi)，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開發(fā)了電液束流加工系統(tǒng)，并進(jìn)行了單晶渦輪葉片氣膜孔加工應(yīng)用[14]。相對于EDM技術(shù)，電液束流加工技術(shù)是一種冷加工方式，可獲得無再鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)表面，但加工速度慢，且存在雜散腐蝕現(xiàn)象[15-16]，孔的輪廓形狀較難控制。由于分辨率的原因，電液束流工藝很難用于異型氣膜冷卻孔的精密加工，對單步孔加工則更難實現(xiàn)，除非將TBC做成導(dǎo)電涂層或用電化學(xué)工藝加工絕緣材料。

要實現(xiàn)先進(jìn)氣膜冷卻，必須摒棄“先打孔，后涂層”的工藝，一次裝夾全面實現(xiàn)穿越熱障涂層和高溫合金材料的打孔，并盡量用一套加工系統(tǒng)實現(xiàn)，即“單步單機打孔”，以保障氣膜孔加工的一致性和精密性。如圖6所示，由于高溫合金和熱障涂層的導(dǎo)電性、光吸收性、熱膨脹系數(shù)、韌性等特性有較大差異，單步穿越進(jìn)行先進(jìn)氣膜孔加工面臨著層間撕裂、表面破落和孔壁裂紋等問題。此外，由于葉片的中空結(jié)構(gòu)，在保證氣膜孔出口、入口幾何精密度的同時，必須控制背面損傷。

短脈沖/超短脈沖激光加工由于對材料加工的普適性，在葉片多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的精密低損傷加工上具有獨特的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)50μm以下的加工分辨率及較高的去除速率等。新時期激光復(fù)雜異型孔加工面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：（1）用單臺激光器一次裝夾穿越合金/TBC復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多類材料單一工況的升華式加工；（2）實現(xiàn)大傾角（20°）、大深度（2～6mm）、三維可控、精密低損傷、CAD驅(qū)動的異型孔加工；（3）實現(xiàn)復(fù)雜葉片的空間在線定位與校正。

異型孔激光加工進(jìn)展

激光加工在發(fā)動機氣膜冷卻孔的制備上具有很大的潛力，國外的GE全球研發(fā)中心、英國曼徹斯特大學(xué)、德國漢諾威激光中心等；國內(nèi)的中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、中科院西安光機所、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等相關(guān)單位開展了一系列研究。

早期激光孔加工多采用毫秒級激光，主要目標(biāo)是高速加工數(shù)量眾多的直圓氣膜孔。長脈沖激光熱影響嚴(yán)重，對單晶葉片不合適。近年來，短脈沖激光加工應(yīng)用發(fā)展迅速，納秒、皮秒甚至飛秒激光加工已經(jīng)開始應(yīng)用于脆性材料的復(fù)雜三維異型孔加工[17-19]。相對于長脈沖激光，短/超短脈沖激光在發(fā)動機氣膜冷卻孔加工上具有顯著的優(yōu)勢：激光強度超過0.1GW/cm2，材料去除趨向于以升華為主；脈沖縮短，熱影響區(qū)可以控制在1～10μm以內(nèi)；可以勝任多種材料的3D加工。

目前，國際競爭熱點是一次裝夾一臺激光器，單步單機實現(xiàn)異型孔的加工。中科院寧波工研院利用短脈沖激光宏微結(jié)合技術(shù)制造出國產(chǎn)樣機，將五軸大范圍精密定位與兩軸激光掃描振鏡的局部高速掃描相結(jié)合，配合深度補償及特殊的協(xié)助粉塵逃逸加工頭，初步實現(xiàn)了多種材料復(fù)雜異型孔的單步加工，技術(shù)路徑如圖7所示。首先，展開異型孔的CAD建模，并通過仿真分析進(jìn)行孔形優(yōu)化，進(jìn)而由CAD模型生成可以驅(qū)動運動系統(tǒng)的CAM代碼，通過加工參數(shù)優(yōu)化，用納秒或皮秒激光，實現(xiàn)了包括鋁合金、石墨、陶瓷基復(fù)合材料、高溫合金和單晶金屬材料的異型孔加工。

圖6 氣膜冷卻孔加工面臨的挑戰(zhàn)Fig.6 Challenges of film cooling hole drilling

圖7 張文武課題組激光異型孔加工技術(shù)路徑Fig.7 Technical route of shaped hole laser drilling followed by Zhang Wenwu’s group

水助激光與單晶葉片孔加工

單晶葉片的氣膜孔加工必須注意不能造成大的熱影響區(qū)，否則，熱影響區(qū)在工作狀態(tài)下可能率先燒毀，導(dǎo)致連鎖反應(yīng)。因此，目前單晶葉片主要依靠電液束流方法進(jìn)行簡單孔加工。但為了實現(xiàn)未來發(fā)動機復(fù)雜異型孔的加工，激光加工工藝的突破勢在必行。

超短脈沖激光加工尤其是小厚度孔加工是目前的研究熱點，激光脈寬小于10ps時，激光與材料的作用時間可能小于材料電子的弛豫時間，從而大大降低激光加工的熱影響，有希望實現(xiàn)“冷加工”，但對“冷加工”應(yīng)該客觀理解。皮秒和飛秒激光器可以展現(xiàn)很小的熱影響，但“冷加工”只出現(xiàn)于淺層加工。對于發(fā)動機異型孔加工，往往需要穿越2～6mm厚的材料，超短脈沖激光由于固有的小脈沖能量（一般小于0.5MJ），導(dǎo)致其深度能力不理想；使用大脈沖能量，超短脈沖激光加工容易出現(xiàn)過強的等離子體和相應(yīng)的光場畸變。此外，還需要警惕高重復(fù)頻率超短脈沖激光器的熱累積效應(yīng)[20]。

水助激光加工為單晶葉片的孔加工提供了相對理想的工程解決方案。

光在穩(wěn)定的水流和空氣界面上會發(fā)生全反射，Richerzhagen[21]和Synova[22]將激光和水射流結(jié)合起來，率先發(fā)展了微射流型水助激光加工技術(shù)。如圖8所示，該技術(shù)將激光聚焦進(jìn)高壓水腔的微小噴嘴內(nèi)，噴嘴在空氣中射出層流水柱，將激光傳輸?shù)焦ぜM(jìn)行加工。國內(nèi)外許多機構(gòu)進(jìn)行了類似技術(shù)的跟蹤研究，GE已經(jīng)將該技術(shù)定為葉片打孔的關(guān)鍵技術(shù)[23]。

相對干式加工，該工藝有降低熱影響、對工件位置不敏感等優(yōu)勢，但水柱進(jìn)入狹窄區(qū)域會喪失水氣界面，失去光纖效應(yīng)。因此，很難保持大深度加工的高效率，無法解決大深度加工難題。

2004年張文武[24]在GE發(fā)明了液核光纖激光加工技術(shù)，2010年第一次對外報道。如圖9所示，該技術(shù)使用特殊的微管通水傳光，管壁光導(dǎo)系數(shù)低于純凈水，被稱為“液核光纖”，光纖外加金屬管保護。該技術(shù)成功地對金屬、CZT等材料進(jìn)行了打孔和切割試驗[25]，可以在空氣中射出層流水柱，等效于SYNOVA技術(shù)；其管壁允許光纖彎曲，可以深入狹窄空間或在水下進(jìn)行加工。

圖8 射流型水助激光加工原理圖Fig.8 Processing principle of microjet water assisted laser machining

2012年后，筆者團隊對傳統(tǒng)的水助激光加工技術(shù)進(jìn)行了新發(fā)展[26]，最近又發(fā)明了可以快速、小范圍掃描的水助激光加工工藝系統(tǒng)，用于CAD驅(qū)動的異型孔加工。利用上述工藝系統(tǒng)，使用532nm波長的納秒激光，可以很好地實現(xiàn)平板上的陣列異型孔單步加工，孔加工的光滑度、精確度有良好保障，加工面的粗糙度可以小于2μm，可以順利加工出小至12°傾角的三維異型孔。圖10顯示了利用該系統(tǒng)單步水助加工TBC/高溫合金30°傾角異型孔的三維測試結(jié)果，剖面分析表明，TBC與金屬基體間沒有裂紋發(fā)生。熱影響區(qū)分析表明，使用納秒激光水助激光加工，不但可以實現(xiàn)大深度、大傾角異型孔的單步加工，而且熱影響區(qū)小于2μm。大傾角孔加工時，應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是影響葉片可靠性的關(guān)鍵，水助激光在適當(dāng)?shù)那闆r下有望在銳角區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力狀態(tài)，這是電化學(xué)加工所不具備的能力，這方面的詳細(xì)研究正在展開。

圖9 液核光纖激光加工技術(shù)Fig.9 Liquid core fiber laser machining

圖10 單機單步穿越TBC/合金的30°傾角異型孔水助激光加工Fig.10 Single laser single step water assisted laser drilling of 30° shaped holes directly through the TBC/alloy

結(jié)束語

氣膜孔加工工藝的突破可以為設(shè)計帶來新的裕度，降低對材料和涂層的要求。我國新一代航空發(fā)動機的進(jìn)步必須重視復(fù)雜異型氣膜孔的應(yīng)用，這是一項系統(tǒng)工程，需要同時解決設(shè)計、仿真、材料、工藝、損傷控制等諸多問題。孔加工工藝路線選擇上應(yīng)該堅持“先涂層，后打孔”，加速突破單步單機穿越TBC的異型孔激光加工，從而為高可靠性、高一致性先進(jìn)氣膜冷卻技術(shù)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。對單晶葉片而言，大深度、高效率、超快激光孔加工和水助激光孔加工是值得關(guān)注的研究方向。

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