西安交通大學(xué)王文君教授團(tuán)隊(duì)：渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護(hù)綜述丨JME論文推薦

引用論文

趙萬芹, 張濤, 孫濤, 梅雪松, 凡正杰, 崔健磊, 段文強(qiáng), 王文君. 渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護(hù)綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(17): 314-330.

ZHAO Wanqin, ZHANG Tao, SUN Tao, MEI Xuesong, FAN Zhengjie, CUI Jianlei, DUAN Wenqiang, WANG Wenjun. Overview of Ultrafast Laser Processing and Back Wall Protection for Turbine Blade Film Cooling Holes[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(17): 314-330.

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大推重比發(fā)展趨勢刺激了渦輪葉片氣膜冷卻孔的高質(zhì)量加工需求，而超快激光一方面由于其近似“冷加工”的性質(zhì)在無重鑄層、低孔壁粗糙度等微孔加工領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，另一方面兼具無材料選擇性、非接觸式、柔性加工等特點(diǎn)在微納加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此，氣膜冷卻孔的超快激光加工逐漸成為研究熱點(diǎn)。然而渦輪葉片作為典型的薄壁腔體類零件，激光穿透葉片照射到空腔內(nèi)壁引發(fā)的燒蝕損傷問題始終難以解決，后壁防護(hù)技術(shù)隨之越來越受重視 。西安交通大學(xué)王文君教授團(tuán)隊(duì)立足于氣膜冷卻孔的超快激光加工，首先歸納總結(jié)了超快激光微孔加工的燒蝕機(jī)理及仿真案例，點(diǎn)明仿真分析和實(shí)驗(yàn)對照已經(jīng)構(gòu)成了激光加工的普遍研究方案；隨后從激光參數(shù)、掃描方式、加工步驟等三個(gè)方面對比分析了超快激光氣膜冷卻孔加工的工藝路線及具體加工效果；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)了材料填充、工藝調(diào)控等后壁防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)對高質(zhì)量氣膜冷卻孔加工的重要作用，明確了填充材料的填充、取出、防護(hù)等性能需求，確定了工藝調(diào)控的可行策略及輔助作用，最后指出了超快激光制孔工藝研究的關(guān)鍵目標(biāo)以及后壁防護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)性、協(xié)同性發(fā)展趨勢，為氣膜冷卻孔的實(shí)際加工奠定基礎(chǔ) 。該團(tuán)隊(duì)的研究成果以題為《渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護(hù)綜述》發(fā)表在《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第17期。

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研究背景及目的

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，其核心部件渦輪葉片長期在極端的高溫、高壓及高轉(zhuǎn)速環(huán)境下工作，為了提高葉片的耐熱能力，其表面需進(jìn)行氣膜孔加工。然而，激光氣膜孔加工中，高能量密度的激光束在穿透葉片薄壁結(jié)構(gòu)后，不可避免地會(huì)作用到葉片的后壁上，這就引出了一個(gè)至關(guān)重要且不容忽視的工藝難題——后壁防護(hù)。后壁防護(hù)的重要性，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、安全性與壽命。首先，不受控的激光能量會(huì)對后壁造成嚴(yán)重的燒蝕損傷，進(jìn)而降低葉片后壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，成為在高離心載荷下潛在的裂紋萌生源，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致葉片疲勞斷裂，引發(fā)災(zāi)難性事故。其次，受損的后壁表面粗糙度會(huì)增加，破壞了內(nèi)部冷卻氣流的氣動(dòng)性能，影響冷卻效率的均勻性和穩(wěn)定性，甚至可能因局部熱斑而燒蝕葉片。再者，即使微小的后壁損傷，在長期高溫和應(yīng)力循環(huán)下也極易擴(kuò)展，大幅縮短葉片的服役壽命，增加維護(hù)成本和飛行安全隱患。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜孔的激光加工過程中，實(shí)施有效的后壁防護(hù)是一項(xiàng)保證核心部件完整性、確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作、提升產(chǎn)品合格率與服役可靠性的關(guān)鍵核心技術(shù)。

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結(jié)果

超快激光對高質(zhì)量的氣膜冷卻孔加工具有獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合其燒蝕機(jī)制及渦輪葉片薄壁腔體的特點(diǎn)，氣膜冷卻孔的超快激光實(shí)際加工必然需要加工工藝和后壁防護(hù)技術(shù)有機(jī)結(jié)合。超快激光制孔工藝研究一方面可以通過單因素實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)等對激光加工參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，另一方面也能夠利用三維振鏡、旋轉(zhuǎn)光楔加工系統(tǒng)等對激光掃描方式進(jìn)行調(diào)控，再輔以兩步、多步加工等策略基本能夠?qū)崿F(xiàn)平板樣件上的氣膜冷卻孔高質(zhì)量加工；而為將上述工藝應(yīng)用于實(shí)體葉片，必須要展開有關(guān)后壁防護(hù)技術(shù)的研究，解決超快激光腔體加工引起的“背傷”問題。材料填充和工藝調(diào)控是后壁防護(hù)技術(shù)的兩大抓手，前者需要綜合考慮填充材料的填充、取出、防護(hù)等性能，是后壁防護(hù)的關(guān)鍵，后者則發(fā)揮耦合加工工藝及填充材料的輔助作用，盡可能提升填充材料的防護(hù)作用，然而后壁防護(hù)技術(shù)的研究依然存在不成體系、缺乏理論支撐的局限。

圖1 超快激光加工機(jī)理

圖2 超快激光微孔加工仿真分析

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結(jié)論

未來的氣膜冷卻孔超快激光加工既要探尋更加行之有效的適用于渦輪葉片加工的穩(wěn)定工藝，又要協(xié)同地、系統(tǒng)地發(fā)展后壁防護(hù)技術(shù)，比如通過在材料填充、工藝調(diào)控的基礎(chǔ)上引入在線監(jiān)測技術(shù)，對加工過程中產(chǎn)生的大量聲信號、光信號等進(jìn)行采集分析，定性或定量地監(jiān)測氣膜冷卻孔的加工進(jìn)程，實(shí)時(shí)診斷孔的穿透狀態(tài)并判斷是否有背傷產(chǎn)生，進(jìn)而對加工進(jìn)程進(jìn)行反饋控制，及時(shí)關(guān)停或削減激光能量，更加準(zhǔn)確直觀地確保加工質(zhì)量及后壁防護(hù)有效性。

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應(yīng)用前景

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜孔的激光加工過程中，實(shí)施有效的后壁防護(hù)是一項(xiàng)保證核心部件完整性、確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作、提升產(chǎn)品合格率與服役可靠性的關(guān)鍵核心技術(shù)。

作者及團(tuán)隊(duì)介紹

王文君， 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，入選國家級青年長江、王寬誠青年學(xué)者。從事激光精密制造及微納制造方面的科研與教學(xué)工作，主持承擔(dān)了“增材制造與激光制造”、“工程科學(xué)與綜合交叉”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)課題、國家自然科學(xué)基金等多項(xiàng)國家級科研項(xiàng)目，以第一/通訊作者身份發(fā)表SCI論文60余篇、獲國家授權(quán)發(fā)明專利60余項(xiàng)（第一發(fā)明人30余項(xiàng)）、出版專著1部、制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)；相關(guān)成果獲陜西省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)、“紅光獎(jiǎng)”激光行業(yè)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)1項(xiàng)等；2012年至今持續(xù)擔(dān)任《工程制圖》主講教師，獲西安交通大學(xué)教學(xué)成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)2項(xiàng) 。

趙萬芹， 女，1983年10月生，工學(xué)博士，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事激光整形精密加工及其過程監(jiān)測技術(shù)的研究。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，作為任務(wù)負(fù)責(zé)人參與重點(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用國家科技重大專項(xiàng)、國家兩機(jī)重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、裝備預(yù)研領(lǐng)域重點(diǎn)基金、省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。在激光精密制造領(lǐng)域發(fā)表專業(yè)方向論文40余篇；作為副主編出版專著《脈沖激光加工技術(shù)》，編制激光加工微結(jié)構(gòu)檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；獲陜西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、“紅光獎(jiǎng)”激光科技創(chuàng)新杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、陜西高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng) 。

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實(shí)驗(yàn)室或者課題組特色

西安交通大學(xué)激光精密制造技術(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)，主要研究內(nèi)容包括激光加工理論、激光微納制造、激光復(fù)合微加工、激光表面處理、精密制造中的在線監(jiān)測-檢測-定位技術(shù)、光機(jī)電協(xié)同控制技術(shù)、高端智能制造技術(shù)與裝備等。部分研究內(nèi)容如下圖：

作 者：趙萬芹

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對：張 強(qiáng)

審 核：張 強(qiáng)

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