01
Wprowadzenie do tego artykułu
Ultraszybka technologia laserowa to zaawansowana technologia, która generuje-impulsy świetlne o wysokiej intensywności w niezwykle krótkim czasie, a jej zastosowania w przemyśle lotniczym cieszą się coraz większym zainteresowaniem. Technologia ta znana jest ze swojej wyjątkowej wydajności w pomiarach, produkcji i komunikacji, a jej szerokie zastosowanie w inżynierii lotniczej zapewnia nowe możliwości poprawy wydajności i bezpieczeństwa samolotów.
Ultraszybkie lasery ogólnie odnoszą się do laserów o szerokości impulsu mniejszej niż 10^-12 sekund, w tym głównie laserów femtosekundowych (1 fs=10^-15 s) i laserów pikosekundowych (1 ps=10^-12 s). Ponieważ ultraszybkie impulsy laserowe działają przez wyjątkowo krótki czas, mogą natychmiast wytworzyć bardzo wysoką moc szczytową. Dlatego w przeciwieństwie do powszechnych metod obróbki laserowej, które działają na materiały poprzez efekty fototermiczne, mechanizmem przetwarzania ultraszybkich laserów jest bezpośrednia absorpcja stanu elektronicznego, która przenosi energię do sieci materiału, rozrywa jego wiązania i ostatecznie wyrzuca ją w postaci plazmy. Co więcej, w przeciwieństwie do obróbki cieplnej zwykłych laserów ciągłych, ultraszybka obróbka laserowa bardziej przypomina metodę „obróbki na zimno”. Z punktu widzenia mechanizmu interakcji pomiędzy laserem a materiałem, obróbka laserem femtosekundowym pozwala uzyskać wysoką precyzję, minimalne strefy wpływu termicznego, brak topnienia termicznego, brak warstwy przetopu i brak mikropęknięć. Jest to jedna z najlepszych metod poprawy integralności powierzchni tworzącej się dziury chłodzącej film łopatek turbiny w silnikach lotniczych.
02 Specyficzne zastosowania (1) Obróbka otworów w folii gazowej w łopatkach turbin silników lotniczych
Jako kluczowy element silnika lotniczego, konstrukcja, jakość produkcji i parametry operacyjne łopatek turbiny wpływają na żywotność silnika. Ogólnie rzecz biorąc, powłoki stanowiące barierę termiczną nakłada się na powierzchnię-stopów wysokotemperaturowych, aby nadać ostrzom wysoką wytrzymałość, wysoką plastyczność, odporność na korozję i-wysoką temperaturę. Dodatkowo na powierzchni zaprojektowano struktury otworów filmu gazowego. Uwalniając zimne powietrze z wnętrza komponentu i tworząc przepływ powietrza przez maleńkie otwory, na powierzchni tworzy się ochronny film zimnego powietrza, izolujący gorący gaz i chroniący komponent. Jednak obecne metody przetwarzania, takie jak obróbka elektroerozyjna i obróbka laserem o długich-impulsach, mają jednak wady, takie jak nieprzewodzące-warstwy bariery termicznej, rozwarstwianie się powłok, pęknięcia i odpryski powłok, co utrudnia wytwarzanie dobrze-uformowanych małych otworów.
Wraz z rozwojem technologii ultraszybkiej obróbki laserowej zaczęto stosować lasery femtosekundowe do tworzenia otworów gazowych na łopatkach turbin bez rozwarstwiania się i pękania powłoki oraz o wymiarach odpowiadających wymaganiom technicznym. Zapewnia to nową technologię wytwarzania otworów w filmie gazowym w elementach silników lotniczych.
Obróbka licznych otworów chłodzących warstewką gazową na łopatkach turbin-pokrytych barierą termiczną ma kluczowe znaczenie w przypadku stosowania silników-do-o wysokim współczynniku ciągu-do-masy i o wysokich osiągach, co stawia wyższe wymagania dotyczące obróbki tych pokrytych łopatek. Technologia obróbki mikro-otworów za pomocą lasera femtosekundowego, dzięki zaletom wysokiej precyzji, wysokiej jakości i obróbki na zimno, umożliwia wysokiej-jakość-obróbkę mikrootworów w silnikach. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu technologii wiercenia laserem femtosekundowym możliwe jest obecnie osiągnięcie-precyzyjnej obróbki otworów w folii gazowej na ostrzach z-pokrytą barierą termiczną bez-przetopionych warstw, mikro-pęknięć lub-stref wpływu ciepła, przy jednoczesnym zapewnieniu, że powłoka stanowiąca barierę termiczną nie czernieje ani nie odkleja się po obróbce. Dlatego technologia przetwarzania mikro-otworów za pomocą lasera femtosekundowego może stać się ważną metodą wytwarzania otworów w warstwie gazowej na łopatkach turbin-pokrytych barierą termiczną.
(2) Obróbka otworów chłodzących folię w komorze spalania silników lotniczych
Rura płomieniowa jest głównym elementem komory spalania silnika lotniczego i jedną z najważniejszych-części żaroodpornych. Aby zapewnić stabilną i ciągłą pracę płomienicy w ekstremalnie wysokich-warunkach temperaturowych, należy ją schłodzić. Obecnie powszechnie stosowaną metodą jest łączenie powłok i perforacji. Stosowanie obróbki laserem o długich-impulsach może powodować defekty, takie jak ablacja powłoki, rozpryski i odpryski krawędzi, które znacząco wpływają na żywotność płomienicy. Obecnie za pomocą obróbki laserem pikosekundowym można wytworzyć otwory chłodzące w folii bez-rozwarstwiania lub łuszczenia się na dużej powierzchni oraz o wymiarach spełniających wymagania techniczne, jak pokazano na rysunkach 2 i 3.
(3) Obróbka rowków-o specjalnym kształcie w silnikach lotniczych
Skuteczność uszczelnienia ma istotny wpływ na osiągi silników lotniczych. W ostatnich latach, wraz z rozwojem przemysłu lotniczego, osiągi silników stale się poprawiają, a warunki pracy stają się coraz bardziej złożone. Awarie spowodowane nieprawidłowym działaniem uszczelek silnika rosną i problemy te wymagają pilnego rozwiązania. W związku z tym zaproponowano nowe wymagania dotyczące technologii uszczelniania silników. Uszczelnienia palcowe to nowy rodzaj urządzenia, które można zastosować do uszczelniania komory łożyska głównego oraz dróg przepływu powietrza silników lotniczych. Obróbka elementów uszczelnień obsługiwanych palcami wymaga dużej precyzji. Obecna obróbka mechaniczna, obróbka elektroerozyjna i obróbka laserowa-o długim impulsie nie są w stanie rozwiązać problemów takich jak wypaczenia i deformacje powstające podczas przetwarzania. Natomiast lasery femtosekundowe, dzięki wyjątkowo dużej gęstości energii i bardzo krótkiemu czasowi obróbki, zapewniają wysoką wydajność i precyzję w procesie obróbki. Na elementach uszczelek dostępnych na czubku palca nie pojawiają się żadne defekty, takie jak przetworzone warstwy, pęknięcia czy zadziory, co zapewnia nową metodę obróbki rowków o specjalnych-kształtach w-precyzyjnych częściach silników lotniczych.
03
Wnioski i perspektywy
Jako zaawansowana technologia przetwarzania i wytwarzania materiałów, ultraszybka obróbka laserowa ma szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie produkcji silników lotniczych. W inżynieryjnych zastosowaniach ultraszybkiej obróbki laserowej należy wybrać różne parametry procesu laserowego zgodnie z charakterystyką materiału, aby zredukować etapy procesu, poprawić wydajność przetwarzania i zapewnić dokładność jakości i wymiarów formowania materiału. Wraz z rozwojem ultraszybkiej technologii laserowej i poprawą optymalizacji procesów, problemy takie jak niska wydajność przetwarzania i ograniczona grubość obrabialna zostaną skutecznie rozwiązane. Co więcej, technologia przetwarzania laserowego z podwójnym-impulsem, która łączy w sobie ultraszybkie przetwarzanie laserowe z przetwarzaniem laserowym z długim-impulsem, będzie przyszłym kierunkiem poprawy jakości i wydajności.
