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工业应用
皮秒激光器在涡轮叶片精密打孔中的应用
材料来源:纳飞晓峰           录入时间:2023/3/17 23:50:26

航空发动机是飞机的大心脏,其关键指标之一是推重比,推重比的大小直接影响飞机的性能。提高推重比的有效方式是提高发动机的热效率,这对材料的高温性能提出了更高的要求。

航空发动机工作环境温度非常高,轻松达到1700℃,而涡轮叶片合金熔点为1400℃左右,因此需要采取冷却措施降温,保证涡轮叶片不受高温侵袭而损坏,降温方式主要通过喷涂热障涂层和冷却技术实现。

喷涂热障涂层一般是采用耐高温的陶瓷涂层,它沉积在涡轮叶片的表面,起到隔热作用,降低叶片温度。气膜冷却是一种非常有效的降温手段,指在叶片内外打许多孔,通过向叶片注入高压冷却空气,经气孔排出,在叶片表面形成一层温度较低的空气膜,从而将高温的燃气和涡轮叶片隔开,达到保护涡轮叶片的目的。

气膜冷却一般需要在涡轮叶片上打大量孔径为100um至700um的不同直径气膜孔来实现,多为斜孔,且呈多样化、不规则分布,因此这些气膜孔往往无法直接一次成型铸造,需要后道工序进行再加工。传统的电火花高速打孔不可避免产生再铸层和微裂痕,从而造成叶片疲劳,影响飞行安全,而电液束打孔、电解打孔等方式则加工效率不高,经济效益略差。

使用超短脉冲激光打孔技术是实现工业应用的激光加工技术之一,先进的激光打孔技术在航空航天领域、重型船舶等现代制造业中扮演者重要角色。

为适应工业生产要求,激光加工时还需要考虑成本、复杂性、鲁棒性和加工能力等方面,和纳秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器相比较,纳飞光电生产的1064nm工业级皮秒激光器各方面显得更加均衡,脉冲持续时间短,峰值功率高。由于超短脉冲作用时间极短,所以热效应很小,几乎可以忽略不计,因而大大提高了加工质量和加工精度,因而可以用于实现涡轮叶片高精度、高效率微加工,且更适应在工业体系进行长时间加工环境,更加符合企业的经济效益要求。

对于常见的晶体结构材料(金属、半导体等),其驰豫时间的长短取决于晶体的性能,通常这一时间值在10ps左右,那么几乎没有时间发生光子诱导,不会产生非线性吸收,也不会有热扩散,而且能接近飞秒脉冲激光加工质量效果,非常具有性价比。纳飞光电工业级皮秒激光器脉冲宽度10ps左右,在超短脉宽下,光能来不及转换为热能,几乎不产生光热效应,对打孔周边材料无热应力影响,冷加工带来更高的成孔质量。非常高的光束质量(M2<1.3),经过聚焦后光斑小,能量高,适合用于加工小孔径的微孔,配合最高达30W(@1064nm)的输出功率,以及20MHz的重复频率,高达300uJ最大脉冲能量,加工效率高,加工的孔洞孔壁光滑,无再铸层,可以做到一次成型,提高了成品的良品率,大大节约了时间成本。同时,这款皮秒激光器还具有Burst模式,可根据实际生产需要对脉冲串进行编辑,以达到更好的加工效果。

为使激光器常年稳定工作于24*7操作环境中,纳飞光电生产的皮秒激光器从立项到产品设计和生产,充分考虑了产品的长期稳定性,经测试,功率稳定性和脉冲稳定性均小于1%RMS。同时,它的整体结构紧凑,集成度高,可完美嵌入诸多工业系统中,而且维护简单,进一步为客户节省封装以及运营采购成本。

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