Лазерная перфорация деталей газотурбинных двигателей

В современных высокотемпературных газотурбинных двигателях находят все возрастающее применение охлаждаемые перфорированием детали и узлы.

Лазерный метод значительно расширяет арсенал существующих средств получения отверстий (механическое сверление, электроэрозионная и электронно­лучевая обработки), обеспечивая при этом высокую производительность, точность и качество обрабатываемой детали.

Для сверления отверстий с помощью лазера требуется высокая плотность мощности (~10⁸ Вт/см²), которая при длительности импульса 0,1...1,0 мс вызывает испарение материала. При таких режимах возможно получение отверстий диаметром 0,1... 1,0 мм при многоимпульсной обработке на глубину до 6,0 мм с углом наклона кповерхности 15...90° при отношении глубины к диаметру 10:1. Это так называемый "ударный" способ сверления.

Для получения отверстий диаметром более 1,0 мм используется метод трепанации. При этом деталь перемещается относительно луча или наоборот. Аналогичным методом является вращение фокусирующей линзы с необходимым эксцентриситетом относительно оси лазерного луча. Но последний метод требует сложного механического устройства.

За рубежом впервые вопросами лазерной перфорации заинтересовались три ведущие аэрокосмические фирмы - "Дженерал электрик", "Пратт-Уитни", "Авко корп.", - которые в середине 1970-х годов использовали лазерный станок "Спейс рейз". Фирма "Дженерал электрик" перфорировала лопатку турбины ТР-39 транспортного самолета С5А. Лопатка имела толщину стенки 2,2 мм и 78 отверстий диаметром 0,17...0,68 мм. Затем в начале 1980-х годов фирма "Дженерал электрик" заключила контракт с фирмой "Аэрофорс" на поставку лазерного станка с программным управлением для обработки турбинной лопатки из материала "Хастеллой" с толщиной стенки 0,7 мм. Станок обрабатывал 900 отверстий диаметром 0,25...0,37 мм за 17 мин. Зона термического влияния (ЗТВ) составляла - 50 мкм. Основой станка является ИАГ-лазер с выходной энергией 50 Дж и частотой следования импульсов 4 Гц. После проведения специальных испытаний фирмой установлено, что лазерная перфорация не является источником разрушения, если диаметр отверстий не превышает 0,75 мм. При увеличении диаметра усталостная прочность снижается, если измененный слой не удаляется.

В настоящее время фирма "Пратт-Уитни" для прошивания отверстий в лопатках турбины использует шестикоординатные станки с ЧПУ серии 4000, разработанные фирмой "Интернейшнл лейзер машин" (США). Для получения выходного луча со средней мощностью 400 Вт и максимальной энергией импульса 35, 70 и 75 Дж с частотой повторения импульса 55, 45 и 30 Гц при номинальной длительности импульса 0,5, 1,0 и 1,5 мс используют два импульсных ИАГ-лазера мощностью 200 Вт, расположенных в конфигурации генератор-усилитель. Отверстия, размеры которых превышают 0,75 мм, получают методом трепанации, толщина обрабатывае­мых деталей до 19,0 мм. Производительность получения отверстия 0,5 мм при глубине обработки 3,2 мм составляет 0,25 с.

Фирма "Роллс-Ройс" использует оборудование фирмы "Варвик компьютер дизайн" (Великобритания) для лазерной прошивки отверстий в кольцах камер сгорания.

Фирма "Кохерент" (США) использует установку с высокомощным ИАГ-лазером "Европулс" МЗЧ для получения отверстий диаметром 0,4 мм под углом к поверхности 30° в турбинной лопатке №-Со сплава толщиной 3,2 мм.

Выходные параметры серийно выпускаемых лазерных технологических установок (табл. 30.1) не обеспечивают получения качественных отверстий в жаропрочных сплавах, применяемых в конструкциях ГТД. Образование большого объема жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия является, как правило, неблагоприятным и трудноуправляемым фактором, существенно снижающим эффективность и точность обработки импульсами в режиме свободной генерации. Большая длительность импульса (более 0,8 мс), кроме того, приводит к значительной глубине зоны структурных изменений и дефектов в виде трещин у поверхности отверстия вследствие увеличения глубины прогретого слоя.

Изучение влияния формы импульса на процесс разрушения материалов [94] показывает, что для точной обработки важны как крутизна переднего и заднего фронтов импульса, так и огибающая импульса в целом. От крутизны переднего фронта в первую очередь зависит время нагревания материала до температуры испарения.

Чем положе фронт импульса, тем больше эта величина и, следовательно, тем больше диаметр конуса на входе отверстия.

Скорость нагрева существенно зависит от формы импульса излучения, в то время как величина пороговой энергии разрушения материала для импульсов различной формы практически одинакова. Чем короче длительность заднего фронта лазерного импульса, тем меньше вероятность заплавления отверстия вследствие образования и перераспределения минимального количества жидкой фазы, поскольку малая длительность заднего фронта обусловливает резкий обрыв процесса испарения в момент получения отверстия необходимой глубины.

Импульсы излучения практически всех серийно выпускаемых технологических установок не отвечают указанным выше требованиям.

Повышения точности и качества обработки можно добиться путем использова­ния механических, акустических, электрооптических и пассивных модуляторов, устанавливаемых между излучателем и оптической системой или непосредственно в резонаторе лазера, а также увеличением плотности мощности в зоне обработки за счет уменьшения расходимости лазерного луча и соответственно уменьшения диаметра фокального пятна.

Эти положения проверены экспериментально. Обработка осуществлялась импульсами свободной генерации различной формы; модулированными лазерными импульсами (в качестве модуляторов использовались: электромеханический модулятор; модулятор с пассивным фототронным затвором на основе кристалла ИАГ-неодим, имеющим коэффициент начального пропускания 50, 75 и 85 %; электрооптический модулятор на основе 1лМЪО₃ с поперечным электрическим полем), также использовался лазерно-электрический метод обработки. Характеристи­ки полученных отверстий приведены в табл. 30.2 (величина зоны термического влияния при обработке отверстий диаметром 0,3...0,6 мм при глубине до 2,5 мм).

Пассивные и электрооптические модуляторы в сравнении с механическими обеспечивают более высокую стабильность энергии и длительность импульса генерации в заданный момент времени, а также позволяют получать частоты повторения импульсов излучения в широком диапазоне 0,1...400 кГц.

Таким образом, снизить величину зоны термического влияния и тем самым избежать появления микротрещин возможно лишь при модернизации серийно выпускаемого оборудования с целью повышения импульсной мощности, либо необходимо использовать дополнительные приемы для удаления измененного слоя (например, гидроабразивную обработку).

Использованием модернизированного оборудования для получения отверстий в фильтрах, соплах, распылителях, форсунках диаметром 0,1 ...0,8 мм на глубину до 3 мм (рис. 30.3) было обеспечено: повышение производительности в 5... 10 раз; снижение расхода дефицитного режущего инструмента; пблучение отверстий по 2...3 классу точности.

Технология и оборудование для лазерной перфорации этих деталей внедрены на агрегатных и моторостроительных предприятиях авиационной промышленности.

По результатам проведенных научно-исследовательских работ был разработан и изготовлен опытный образец специализированного пятикоординатного лазерного станка с ЧПУ ЛС-250 для обработки деталей ГТД с размерами 250x250x250 мм, оснащенный лазерным излучателем "Квант-15" (рис. 30.4). Пример обработанной детали приведен на рис. 30.5.

После проведения испытаний опытного образца лазерного станка было установлено, что с целью повышения качества обрабатываемых отверстий и расширения номенклатуры обрабатываемых деталей необходимо оснастить станок лазерным излучателем, макетный образец которого был разработан НИИ "Полюс" по техническому заданию НИИДа.