叶片气膜孔无背伤串联型窄脉宽放电电源技术及工艺研究

Film holes cooling technology is widely used in new generation and high thrust to weight ratio of aero-engine. And the quality of film holes directly affects the aero-engine performance. Aiming at the thick recast layer by electrical discharge machining (EDM) and special high temperature alloy material, the narrow pulse discharge erosion mechanism is researched, investigating the effective rules of discharge parameters and recast layer thickness. In order to solve the pulse power discharge frequency be limited the power device itself open-closed speed, a new series pulse power topology is proposed this project. Through using the power device in series and staggered controlling the driving signal turn-on and turn-off time, the narrow pulse gap discharge waveform is achieved, that enhancing the discharge gasification rate and decreasing the recast layer thickness. With the simulation software Saber analysis the power supply main circuit, the power device protective technology is studied, improving the pulse power stability. Combining electrode feed rate, the depth of no back damage EDM the film cooling holes is controlled by detecting the gap discharge voltage and current waveform. To find the advantageous processing conditions and parameters for reducing thickness recast layer, the experience of EDM high temperature alloy blade film holes is investigated. Therefore, research on series narrow pulse discharge power supply technology and process of no back damage EDM turbine blade film holes, which is important theoretical significance to improve the aero-engine performance.

新一代高推重比航空发动机广泛采用气膜冷却方式，气膜孔质量直接影响航空发动机性能。针对国内目前使用的电火花脉冲电源加工气膜孔重熔层厚以及高温合金材料难加工等问题，进行电火花加工高温合金叶片重熔层产生机理分析，揭示放电参数对重熔层厚度的影响规律。为了解决功率器件开通速度对脉冲电源放电频率的制约，本课题提出串联型脉冲电源拓扑结构，串联使用功率管，错时控制功率管栅极信号开、断，得到窄脉宽间隙放电波形，提高放电气化率，减小重熔层厚度。利用软件Saber进行脉冲电源主回路仿真分析，研究功率管保护技术，提高脉冲电源的工作稳定性。通过检测放电电压、电流波形，结合电极进给量，进行气膜孔深度可控的无背伤加工。进行电火花加工高温合金叶片气膜孔的工艺试验，研究有利于减小重熔层厚度的加工条件。 因此，进行涡轮叶片气膜孔电火花无背伤加工的串联型窄脉宽电源技术及工艺研究对提高航空发动机性能具有重要的理论意义。

针对航空发动机涡轮叶片的难加工材料特性和气膜冷却孔孔数多、位置复杂等特点，为了减少电火花加工的重熔层厚度和提高加工效率，进行了高效窄脉宽参数在线可调的脉冲电源系统的研制和气膜冷却孔重熔层厚度减薄工艺的研究。. 脉冲电源系统采用模块化设计，研制了信号控制模块、功率放大模块、功率管保护模块和间隙放电状态检测模块。利用MCU+FPGA设计了最小信号宽度为50ns的信号控制模块。进行功率管IGBT的推挽式驱动电路设计，针对功率管串联的拓扑结构，设计了复合式IGBT的缓冲吸收回路。研制了掐头去尾式的间隙放电状态检测模块。通过提取处理放电平均电压、加工速度信号可以实现自动贯穿检测，防止出现背伤加工。结合实验室研制的机械系统和数控系统，进行了脉冲电源系统的整体调试和参数优化加工实验。加工6mm厚的镍基合金，最短用时11s；重熔层厚度为7.2μm时，加工时间控制在24s以下。. 采用了扫描电子显微镜(SEM)，聚焦离子束(FIB)制备透射电子显微镜(TEM)样品，对比镍基合金的基体和重熔层的选区电子衍射图（SAED），进行了重熔层的表征、成分分析和形成机理的推测。基体材料以多晶的形式存在，再结晶后的重熔层以局部单晶的形式存在。针对气膜冷却孔的重熔层厚度不均匀且不连续的问题，提出了网络划分测量方法，提高重熔层的测量精度和效率。. 为了满足下一代先进航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔重熔层厚度要求，提出了在线变电压粗精复合重熔层减薄工艺研究，实现了重熔层平均厚度小于5μm。实验结果表明在精加工过程中极性对重熔层的厚度影响显著。又进一步提出弱导电非绝缘的去离子水工作液的电火花电解加工工艺，采用了内冲去离子水，外冲弱导电工作液的组合冲液方式，可将重熔层的厚度控制在2μm以下。. 该项目研制的脉冲电源系统和提出的重熔层减薄工艺，对于高效加工出较薄重熔层的气膜冷却孔具有重要的科学意义，对于提高我国航空发动机涡轮叶片制造水平具有重要的社会效益。