带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔激光制备机理与工艺研究

This project is facing the impendent domestic demand for advanced technology to manufacture film cooling holes with thermal barrier coatings on aero-engines and some large power equipments, aiming at solving the delamination problem in the drilling process. The mechanism of the delamination phenomenon and its obliteration method are studied from some aspects, i.e. the fluid characteristics in hole walls without the sharp edge and the law of its interaction with material system, the evolution law of thermal stress in composite material system under multi-energy field and its control mechanism, the relationship between machining allowance and the spray path and direction of the molten materials etc. We propose to make use of ultrafast laser to remove the acute edge on holes and multistep approach with different parameters drilling under auxiliary heat field, pretreat substrates with machining allowance etc., to avoid the deflects of delamination and crack, forming a brand new set of theory and technology to drill film cooling holes on coated turbine blade in one-step with laser beam, eventually realizing the integrating manufacture of film cooling holes on turbine blade. The accomplishment of this project may provide theoretical and technological support for the autonomous manufacturing ability of some critical high-temperature resistance parts, such as, turbine blade.

本项目面向国内先进航空发动机及大型动力装备制造业对带热障涂层涡轮叶片气膜冷却孔激光一体化制造技术的迫切需求，结合当前激光在带热障涂层基体上制孔的新理论和新方法，针对激光在带热障涂层基体上打孔时出现的分层开裂、裂纹等问题，研究这类缺陷产生的机理与消除机制，通过对激光作用下去锐边孔壁熔融物流体特性及其与材料体系相互作用规律、多能场耦合下复合材料体系的热应力演变规律及其控制机理、加工余量和熔融物流体喷射路径、方向之间的关系等方面的研究，提出利用超快激光去孔锐边修饰法、辅助热场条件下变参数分步加工、初加工基体留有加工余量等方法，避免激光打孔过程中的分层开裂、裂纹等缺陷，形成一套全新的带涂层涡轮叶片气膜冷却孔一体化高效高质量加工理论和工艺方法，为我国高温涡轮叶片等关键零件的自主制造提供理论和技术支撑。

本项目针对长脉冲激光带热障涂层涡轮叶片加工中存在的分层裂纹、重铸层等热致缺陷问题而展开相关研究，首先，通过建立激光打孔过程中的温度场模型和相场模型，分析温度场分布以及热膨胀不匹配应力的演化机制，探索并揭示了分层开裂和裂纹的产生机理和抑制方法。其次，通过优化孔口结构改变熔融物的流场特性，使流体流速、流量重新分布，从而减小其速度梯度、改变孔壁前沿的应力场分布。再者，采用有限元方法建立了多层材料的热学-固体力学耦合模型，研究了高频感应温度场对多层材料热应力的分布影响规律。并采用分步加工工艺，通过调控熔融金属在孔壁各处的流场特性，降低熔体对孔壁的剪切应力，有效抑制分层裂纹的产生。与此同时，为了进一步提高微孔加工的质量，开展了飞秒超快激光一步加工成型高质量气膜冷却孔的研究，涉及飞秒激光-等离子体相互作用以及空气中光丝现象对加工质量的影响。最后，通过研究涡轮叶片气膜冷却孔质量与激光离焦量、激光定位精度、工作台的运动控制等参数之间的关系，完成了带热障涂层的涡轮叶片冷却群孔制备。通过上述的研究内容，本项目有效解决了带热障涂层涡轮叶片微孔加工中存在的分层裂纹以及重铸层问题，揭示了打孔过程中的分层开裂生成机理，掌握了高能激光打孔过程中的流体流场特性与控制理论，探索了多层材料热加工时热应力损伤机理，最终建立了一套切实可行的带涂层涡轮叶片激光打孔的理论和方法，为我国航空发动机和重型燃气轮机设备的关键零件自主化制造提供了相应的理论和技术支撑。