01
Вступ до цієї статті
Надшвидкісна лазерна технологія – це вдосконалена технологія, яка генерує світлові імпульси високої{0}}інтенсивності за надзвичайно короткий час, і її застосування в аерокосмічній сфері все більше привертає увагу. Ця технологія відома своєю видатною продуктивністю у вимірюванні, виробництві та зв’язку, а її широке застосування в аерокосмічній техніці надає нові можливості для покращення характеристик і безпеки літаків.
Надшвидкісні лазери зазвичай відносяться до лазерів із шириною імпульсу менше 10^-12 секунд, в основному включають фемтосекундні лазери (1 фс=10^-15 с) і пікосекундні лазери (1 пс=10^-12 с). Оскільки надшвидкі лазерні імпульси діють надзвичайно коротко, вони можуть миттєво створити дуже високу пікову потужність. Тому, на відміну від звичайних методів лазерної обробки, які діють на матеріали за допомогою фототермічних ефектів, механізм обробки надшвидких лазерів полягає в прямому поглинанні електронного стану, який передає енергію на решітку матеріалу, розриває його зв’язки та, нарешті, викидає її у вигляді плазми. Крім того, на відміну від термічної обробки звичайних лазерів безперервної дії, надшвидка лазерна обробка більше відповідає методу «холодної обробки». З точки зору механізму взаємодії між лазером і матеріалом, фемтосекундна лазерна обробка може досягти високої точності, мінімальних зон теплового впливу, відсутності термічного плавлення, відсутності шару переробки та відсутності мікротріщин. Це один із найкращих методів покращення цілісності поверхні плівкового охолоджувального отвору лопатки турбіни в авіаційних двигунах.
02 Особливі застосування (1) Обробка отворів для газової плівки лопатей турбіни авіаційних двигунів
Будучи основним компонентом авіаційного двигуна, конструкція, якість виготовлення та експлуатаційні характеристики турбінних лопаток впливають на термін служби двигуна. Як правило, теплозахисні покриття наносять на поверхню високо{1}}температурних сплавів, щоб надати лезам високу міцність, високу пластичність, стійкість до корозії та -температуру. Крім того, на поверхні проектуються газові плівкові отвори. Випускаючи холодне повітря зсередини компонента та створюючи повітряний потік через крихітні отвори, на поверхні утворюється захисна плівка холодного повітря, яка ізолює гарячий газ і захищає компонент. Однак сучасні методи обробки, такі як електроерозійна обробка та довго-імпульсна лазерна обробка, мають недоліки, зокрема не-провідні теплові бар’єрні шари, відшарування покриття, тріщини та відколи покриття, що ускладнює створення добре-формованих малих отворів.
З розвитком технології надшвидкої лазерної обробки фемтосекундні лазери тепер використовуються для створення газових отворів на турбінних лопатках без розшарування покриття або тріщин, а розміри відповідають технічним вимогам. Це забезпечує нову технологію виготовлення отворів для газової плівки в компонентах авіаційних двигунів.
Механічна обробка численних отворів для охолодження газової плівки на лопатях турбіни з-термічним бар’єрним покриттям має вирішальне значення для застосування двигунів із високою-потужністю-відношення-до-ваги, що встановлює вищі вимоги до обробки цих лопатей з покриттям. Фемтосекундна лазерна технологія обробки мікро-отворів із перевагами високої точності, високої якості та холодної обробки забезпечує високу{6}}якісну обробку мікро-отворів для двигунів. Завдяки безперервному вдосконаленню технології фемтосекундного лазерного свердління тепер можна досягти високо{9}}точної обробки отворів газової плівки на лезах із-термічним{10}}бар’єрним покриттям без пере-оплавлених шарів, мікро-тріщин або зон-термічного-впливу, гарантуючи, що теплозахисне покриття не чорніє та не відшаровується після обробки. Таким чином, фемтосекундна лазерна технологія обробки мікро-отворів готується стати важливим методом для виготовлення отворів газової плівки на лопатках турбіни з-термічним бар’єрним покриттям.
(2) Обробка отворів плівкового охолодження в камері згоряння авіаційних двигунів
Жарова труба є основним компонентом камери згоряння авіаційного двигуна та однією з найважливіших термо{0}}стійких частин. Щоб забезпечити стабільну й безперервну роботу жарової труби за надзвичайно високих-температур, її потрібно охолоджувати. В даний час поширений метод передбачає поєднання покриттів і перфорацій. Використання довго{5}}імпульсної лазерної обробки може спричинити такі дефекти, як видалення покриття, розбризкування та сколювання країв, що значно впливає на термін служби жарової труби. Наразі за допомогою пікосекундної лазерної обробки можна отримати отвори для охолодження плівки без великого-розшарування чи відшарування на поверхні та розмірів, які відповідають технічним вимогам, як показано на малюнках 2 і 3.
(3) Механічна обробка канавок спеціальної-форми в авіаційних двигунах
Ефективність ущільнення має важливий вплив на роботу авіаційних двигунів. Останніми роками з розвитком авіаційної промисловості продуктивність двигуна постійно покращується, а умови експлуатації стають дедалі складнішими. Відмов, викликаних несправністю ущільнення двигуна, зростає, і ці проблеми необхідно терміново вирішувати. Тому були запропоновані нові вимоги до технології ущільнення двигуна. Ущільнення наконечника пальця — це новий тип пристрою, який можна використовувати для герметизації камери основного підшипника та шляхів повітряного потоку авіаційних двигунів. Механічна обробка компонентів ущільнення пальця вимагає високої точності. Сучасна механічна обробка, електроерозійна обробка та довго{6}}імпульсна лазерна обробка не можуть вирішити такі проблеми, як викривлення та деформація, що виникають під час обробки. Проте фемтосекундні лазери завдяки надзвичайно високій щільності енергії та дуже короткому часу обробки забезпечують високу ефективність і точність у процесі обробки. Жодних дефектів, таких як шари переробки, тріщини чи задирки, не з’являється на компонентах ущільнювача пальця, що забезпечує новий метод обробки канавок спеціальної-форми у високо-точних частинах авіаційного двигуна.
03
Висновки та перспективи
Як передова технологія обробки матеріалів і виготовлення, надшвидка лазерна обробка має широкі перспективи застосування в галузі виробництва аерокосмічних двигунів. У інженерному застосуванні надшвидкої лазерної обробки різні параметри лазерного процесу слід вибирати відповідно до характеристик матеріалу, щоб скоротити кроки процесу, підвищити ефективність обробки та забезпечити точність якості та розмірів формування матеріалу. З розвитком надшвидкої лазерної технології та вдосконаленням оптимізації процесу такі проблеми, як низька ефективність обробки та обмежена оброблювана товщина, будуть ефективно вирішені. Крім того, технологія подвійної-імпульсної лазерної обробки, яка поєднує надшвидку лазерну обробку з довго-імпульсною лазерною обробкою, стане майбутнім напрямком покращення якості та ефективності.
