水导激光环切制孔技术，解决航空发动机高温构件高质高效加工难题

    封面呈现了随着先进航空发动机服役性能的不断提升，新一代高温构件，需采用SiCf/SiC 陶瓷基复合材料和气膜冷却技术。水导激光加工具有加工距离长、无加工残渣和加工效率高等优点，适用于 SiCf/SiC 陶瓷基复合材料高温构件气膜孔的加工。开展水导激光环切制孔工艺试验研究，用时60 s加工出直径500 μm、深径比8的近无锥度小孔。水导激光环切制孔技术实现了 SiCf/SiC 陶瓷基复合材料小孔的高质高效加工，为航空发动机高温构件气膜孔的加工提供了技术支撑。

    1 研究背景

      碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiCf/SiC陶瓷基复合材料）具有耐高温、抗氧化、高比刚度、高比强度等特性，是先进航空发动机高温构件的理想材料。

     然而，随着航空发动机性能的不断提升，单纯依靠SiCf/SiC陶瓷基复合材料已难以抵御高温燃气环境。为了提高构件的服役性能，需采用气膜冷却技术。该技术通过在构件表面设计气膜孔，将冷却气体输送到构件表面，形成冷却气膜以隔离高温燃气，从而显著提升SiCf/SiC陶瓷基复合材料的服役性能。

      SiCf/SiC陶瓷基复合材料气膜孔具有直径小、深径比大、锥度小等结构特征，又具有硬脆、分解温度高、各向异性、非均质等材料特点，属于典型的难加工材料。因此，如何实现SiCf/SiC陶瓷基复合材料气膜孔的高质量加工，已成为亟待解决的关键问题。

    2 创新工作

      针对SiCf/SiC陶瓷基复合材料气膜孔所面临的精密加工需求，大连理工大学董志刚教授团队开展了水导激光环切制孔工艺研究，深入探究了激光单脉​冲能量、扫描速度及水束压力等关键工艺参数对小孔出入口形貌、锥度的影响规律，成功实现了直径为500 µm、深径比为8 的近无锥度小孔的高质高效加工，如图1和图2所示。这一研究成果可为后续水导激光加工SiCf/SiC 陶瓷基复合材料气膜孔提供了可靠的工艺支撑。

图1 小孔出入口形貌

图2 小孔孔壁微观形貌

      首先，课题组提出了两步飞秒激光旋切加工方法，由底孔加工和成孔加工两步组成。底孔加工为粗加工，快速将孔打通形成具有排屑功能的底孔；成孔加工为精加工，去除底孔锥度区的材料，加工出近无锥度的成孔。两者结合解决了SiCf/SiC陶瓷基复合材料小孔加工质量与加工效率难以兼顾的问题。

      此外，课题组提出水导激光环切加工方法，利用高压水射流引导激光，兼具高效冷却和冲刷碎屑功能，高速水射流即时排屑避免了二次沉积，持续冷却了热累积与热损伤，具有加工距离长，无加工残渣和加工效率高等优势，目前课题组用时90 s加工出直径400 μm、深径比10的近无锥度小孔，实现了SiCf/SiC陶瓷基复合材料大深径比小孔的高质高效加工。

      飞秒激光在加工损伤和实现高精度小孔加工成果显著，而水导激光在大深径比和低氧化损伤加工上优势明显，两者优势互补，可解决SiCf/SiC陶瓷基复合材料小孔加工质量与加工效率难以兼顾的问题，为下一代先进航空发动机核心高温构件气膜孔加工提供技术支撑。

  3 后续工作

      在后续工作中，团队聚焦曲面构件小孔的加工理论与技术研究，突破飞秒激光与水导激光五轴联动加工技术，实现航空发动机SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮叶片高温构件气膜孔的加工验证，推动该技术的工程化应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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