涡轮叶片气膜孔的加工技术

　　涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它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，它受涡轮叶片材料的限制。对这些部件进行连续不断的冷却，可以允许它们的工作环境温度超过材料的熔点，这样仍能安全可靠的工作，气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一，大大提高了发动机的性能，同时也对气膜孔加工技术提出了更高的要求。随着制造技术的发展，气膜孔加工新技术也不断出现，在传统的激光打孔(Laser)、电火花高速打孔(EDM)、电化学打孔(ECM)等加工方法的基础上，又发展了激光电火花复合打孔、电解电火花复合打孔等新工艺，去除重熔层技术在磨粒流的基础上，又发展应用了化学研磨技术、电解质-等离子加工等新技术，为提高涡轮叶片气膜孔加工质量、技术水平和生产效率做出了重要贡献。

　　气膜冷却技术的发展和应用

　　据统计，涡轮前温度平均每年升高25K，其中约15K是依靠冷却技术的进步取得的。在过去的三、四十年中，涡轮进口温度提高了大约450K。其中70%是由于涡轮工作叶片和导向叶片的高效冷却设计取得的，而另外30%应归于高温合金和铸造加工工艺的改进。随着航空发动机技术的发展，出现了许多先进的涡轮叶片冷却技术。

　　提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推重比的重要手段。在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。为此，世界航空发动机设计与制造商研究和开发了大量的涡轮叶片冷却技术，成功地验证和应用了冲击、对流、气膜、复合冷却、铸冷和超冷等叶片技术，并且在提高涡轮进口温度(进而提高涡扇发动机的性能)方面取得了很好的效果。

　　提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推重比的重要手段。在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。为此，世界航空发动机设计与制造商研究和开发了大量的涡轮叶片冷却技术，成功地验证和应用了冲击、对流、气膜、复合冷却、铸冷和超冷等叶片技术，并且在提高涡轮进口温度(进而提高涡扇发动机的性能)方面取得了很好的效果。

　　电火花打孔工艺在国内很早就应用于航空零件加工，国内各发动机生产厂都拥有大量各型电火花机床。在80年代中期，发动机厂将电火花打孔工艺用于涡喷发动机涡轮导向叶片气膜冷却孔的加工，加工设备为国产精密电火花机，直径0.5mm的孔加工时间约20s，该工艺作为涡喷系列发动机的标准工艺，一直在发动机工厂使用，加工叶片质量稳定。

　　随着国内新型航空发动机性能的不断提高，发动机热端部件已广泛采用气膜冷却技术。如何有效地减少涡轮重要部件气膜冷却孔的重熔层厚度对保证发动机的质量有重大意义。近两年针对新型发动机的研制需要，发动机厂对涡轮工作叶片气膜冷却孔的电火花打孔工艺进行了反复试验研究，采用正交试验法，找出了影响重熔层厚度的工艺参数，并确定了最优工艺参数组合。为了验证最优工艺参数组合的合理性，再选取一组较好参数与正交试验优选的最优水平组合进行比较验证，将每一个试片上的10~12个气膜孔进行重熔层厚度检查，并对检查结果进行比较，由重熔层平均厚度值分析可得φ0.3、φ0.5孔的理想参数组合，同时也是正交试验优选的两组最优水平组合，该结论验证了正交试验的理论结果。

　　3电化学打孔

　　电化学打孔也称为电解打孔，根据加工用的电极不同，有以下两种方法：一种是CD(ECF)毛细管加工，采用玻璃管内的金属丝电极，也就是我们所说的电液束打孔，加工孔直径在表1叶片气膜孔加工工艺参数参考值φ0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm；另一种是型管电极加工，采用中空的外壁涂有绝缘涂层的金属管作为电极，加工孔直径在φ0.5mm~φ7mm，最大加工孔深600mm。

　　对于冷却孔位于叶片后缘或叶片顶部，采用电解加工工艺打孔。此处，采用这种工艺的主要原因较多，比如此区域的冷却孔间距和孔径过小；孔外缘距外壁的间距过小；此处的孔的深径比较大等。另外，如重熔层存在则有可能导致穿壁透孔等问题产生。

　　目前国内研究所已研制了电液束打孔工艺及设备，并在发动机单晶涡轮叶片气膜孔加工上应用，该工艺方法加工的气膜孔不存在重熔层、微裂纹、热影响区，进出口可自然形成一定的圆角，孔壁光滑。但电液束打孔加工速度一般在1.8~2.5mm/min，远远低于电火花高速打孔速度(50mm/min)。其特点是：可用于表面精加工；孔径φ0.25mm~φ5.0mm；表面粗糙度Ra取决于材料和工艺；由于流动问题会产生平滑的表面波纹；金相无热影响区域；无残余表面应力；无裂化现象；如果出现碳化物，可能出现晶粒间腐蚀；不溶金属会导致氧化皮。

　　激光打孔、高速电火花打孔等加工方法，效率高、成本低，已为大多数发动机厂所采用，而先进的新型发动机对气膜孔加工质量要求越来越高，不允许存在重熔层，以免影响叶片的使用性能。因此，重熔层去除技术也在传统的磨粒流加工技术基础上，得到了迅速发展和应用，出现了化学研磨、电解质-等离子加工等去除重熔层的新技术，能够有效去除激光打孔、电火花打孔产生的重熔层，从而大大提高了涡轮叶片的加工质量和效率。

　　气膜孔加工技术作为先进航空发动机制造关键技术而被广泛应用，气膜孔加工质量直接关系到发动机的使用安全，应引起重视，同时也作为特种加工技术的重要应用领域而得到迅速发展。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。