01
Inleiding tot dit artikel
Ultrasnelle lasertechnologie is een geavanceerde technologie die in extreem korte tijd lichtpulsen met hoge{0}}intensiteit genereert. De toepassingen ervan in de ruimtevaart trekken steeds meer de aandacht. Deze technologie staat bekend om zijn uitstekende prestaties op het gebied van metingen, productie en communicatie, en de wijdverbreide toepassing ervan in de lucht- en ruimtevaarttechniek biedt nieuwe mogelijkheden om de prestaties en veiligheid van vliegtuigen te verbeteren.
Met ultrasnelle lasers worden doorgaans lasers bedoeld met een pulsbreedte van minder dan 10^-12 seconden, waaronder vooral femtoseconde-lasers (1 fs=10^-15 s) en picoseconde-lasers (1 ps=10^-12 s). Omdat ultrasnelle laserpulsen een extreem korte werkingsduur hebben, kunnen ze onmiddellijk een zeer hoog piekvermogen produceren. Daarom is het verwerkingsmechanisme van ultrasnelle lasers, in tegenstelling tot gebruikelijke laserverwerkingsmethoden die via fotothermische effecten op materialen inwerken, directe elektronische toestandsabsorptie, die energie overbrengt naar het rooster van het materiaal, de bindingen ervan verbreekt en het uiteindelijk als plasma uitwerpt. Bovendien komt ultrasnelle laserverwerking, in tegenstelling tot de thermische verwerking van gewone continue lasers, meer overeen met een "koude verwerkingsmethode". Vanuit het perspectief van het interactiemechanisme tussen de laser en het materiaal kan femtoseconde-laserverwerking hoge precisie, minimale thermisch beïnvloede zones, geen thermisch smelten, geen herschikte laag en geen microscheuren bereiken. Het is een van de beste methoden om de oppervlakte-integriteit van filmkoelgaten in turbinebladen in luchtvaartmotoren te verbeteren.
02 Specifieke toepassingen (1) Bewerken van gasfilmgaten van turbinebladen van vliegtuigmotoren
Als kerncomponent van een vliegtuigmotor beïnvloeden het ontwerp, de productiekwaliteit en de operationele prestaties van turbinebladen de levensduur van de motor. Over het algemeen worden thermische barrièrecoatings aangebracht op het oppervlak van hoge--temperatuurlegeringen om de bladen een hoge taaiheid, hoge plasticiteit, corrosieweerstand en hoge- temperatuurbestendigheid te geven. Bovendien zijn op het oppervlak gasfilmgatstructuren ontworpen. Door koude lucht uit het onderdeel te laten ontsnappen en een luchtstroom door kleine gaatjes te creëren, vormt zich een beschermende koude luchtfilm op het oppervlak, waardoor heet gas wordt geïsoleerd en het onderdeel wordt beschermd. De huidige verwerkingsmethoden, zoals machinale bewerking met elektrische ontlading en lange-pulslaserbewerking, hebben echter nadelen, waaronder niet-geleidende thermische barrièrelagen, delaminatie van coatings, scheuren en chippen van coating, waardoor het moeilijk wordt om goed-gevormde kleine gaatjes te produceren.
Met de ontwikkeling van ultrasnelle laserverwerkingstechnologie worden nu femtosecondelasers gebruikt om gasgaten in turbinebladen te creëren zonder delaminatie van de coating of scheuren, en met afmetingen die voldoen aan de technische vereisten. Dit levert een nieuwe technologie op voor het vervaardigen van gasfilmgaten in vliegtuigmotoronderdelen.
De bewerking van talloze gasfilmkoelgaten op met thermische barrière-gecoate turbinebladen is van cruciaal belang voor de toepassing van motoren met een hoge stuwkracht-tot-gewichtsverhouding en- prestaties, waardoor hogere eisen worden gesteld aan de bewerking van deze gecoate bladen. Femtoseconde laser micro-technologie voor het bewerken van gaten, met de voordelen van hoge precisie, hoge kwaliteit en koude verwerking, maakt het bewerken van micro-motoren van hoge kwaliteit mogelijk. Met voortdurende verbeteringen in de femtoseconde-laserboortechnologie is het nu mogelijk om zeer-precieze gasfilmgaten op thermische barrière-gecoate bladen te realiseren zonder opnieuw-gesmolten lagen, micro-scheuren of door hitte-zones, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de thermische barrièrecoating na verwerking niet zwart wordt of loslaat. Daarom staat femtoseconde-lasertechnologie voor micro-de verwerking van microgaten op het punt een belangrijke methode te worden voor het vervaardigen van gasfilmgaten op turbinebladen met thermische barrière-gecoate.
(2) Bewerken van filmkoelgaten in de verbrandingskamer van vliegtuigmotoren
De vlambuis is een hoofdonderdeel van de verbrandingskamer van een vliegtuigmotor en een van de belangrijkste hittebestendige onderdelen-. Om ervoor te zorgen dat de vlambuis stabiel en continu werkt onder extreem hoge -temperaturen, moet deze worden gekoeld. Momenteel omvat een gebruikelijke methode een combinatie van coatings en perforaties. Het gebruik van lange-pulslaserbewerkingen kan defecten veroorzaken zoals ablatie van de coating, spatten en afbrokkelen van de randen, waardoor de levensduur van de vlambuis aanzienlijk wordt beïnvloed. Momenteel kan het gebruik van picoseconde-laserbewerking filmkoelgaten produceren zonder delaminatie of schilfering van grote oppervlakken op het oppervlak, en afmetingen die voldoen aan de technische vereisten, zoals weergegeven in figuren 2 en 3.
(3) Bewerken van speciaal-gevormde groeven in vliegtuigmotoren
De afdichtingsprestaties hebben een belangrijke invloed op de prestaties van vliegtuigmotoren. Met de ontwikkeling van de luchtvaartindustrie zijn de motorprestaties de afgelopen jaren gestaag verbeterd en zijn de operationele omstandigheden steeds complexer geworden. Het aantal storingen veroorzaakt door defecten aan de motorafdichting neemt toe en deze problemen moeten dringend worden aangepakt. Daarom zijn er nieuwe eisen voorgesteld aan de motorafdichtingstechnologie. Vingertopafdichtingen zijn een nieuw type apparaat dat kan worden gebruikt voor het afdichten van de hoofdlagerkamer en luchtstroompaden van vliegtuigmotoren. De bewerking van onderdelen van vingertopafdichtingen vereist een hoge nauwkeurigheid. De huidige mechanische bewerking, elektrische ontladingsbewerking en lange-pulslaserbewerking kunnen problemen zoals kromtrekken en vervorming die tijdens de verwerking ontstaan, niet oplossen. Femtosecondelasers zorgen echter vanwege hun extreem hoge energiedichtheid en zeer korte verwerkingstijd voor een hoge efficiëntie en precisie in het bewerkingsproces. Er verschijnen geen defecten zoals opnieuw gegoten lagen, scheuren of bramen op de onderdelen van de vingertopafdichtingen, wat een nieuwe methode oplevert voor het bewerken van speciaal-gevormde groeven in uiterst-precieze vliegtuigmotoronderdelen.
03
Conclusies en vooruitzichten
Als geavanceerde materiaalverwerkings- en fabricagetechnologie heeft ultrasnelle laserverwerking brede toepassingsmogelijkheden op het gebied van de productie van ruimtevaartmotoren. Bij de technische toepassing van ultrasnelle laserverwerking moeten verschillende laserprocesparameters worden geselecteerd op basis van materiaaleigenschappen om processtappen te verminderen, de verwerkingsefficiëntie te verbeteren en de nauwkeurigheid van de materiaalvormende kwaliteit en afmetingen te garanderen. Met de ontwikkeling van ultrasnelle lasertechnologie en de verbetering van procesoptimalisatie zullen problemen zoals een lage verwerkingsefficiëntie en een beperkte bewerkbare dikte effectief worden opgelost. Bovendien zal de dubbele-pulslaserverwerkingstechnologie, die ultrasnelle laserverwerking combineert met lange-pulslaserverwerking, de toekomstige richting zijn voor het verbeteren van de kwaliteit en efficiëntie.
