氣膜冷卻技術是支撐航空發(fā)動機熱端部件承溫能力提升的關鍵核心技術，使冷卻氣流經(jīng)過氣膜孔等冷卻結(jié)構(gòu)噴射而出，形成覆蓋熱端部件表面的冷卻氣膜，使其免受高溫燃氣的直接沖擊。以渦輪葉片為例，其氣膜冷卻原理如圖1所示。氣膜孔的加工精度及質(zhì)量決定了渦輪葉片的可靠性，進而影響著航空發(fā)動機整機的安全性。因此，對氣膜孔提出了極為嚴苛的驗收要求，也對其制造技術提出了挑戰(zhàn)。在加工精度方面，主要評價要素包括孔徑、孔位、圓度、圓柱度、軸線矢量角度、孔壁粗糙度及完整性等，它們決定了冷卻氣流流量、出射位置及角度、射流速度等，進而影響冷卻氣膜覆蓋效率。在加工質(zhì)量方面，主要關注不同制孔工藝所形成的孔壁/孔口處缺陷形態(tài)及深度，超標缺陷可能導致葉片在承受復雜交變載荷時發(fā)生斷裂。據(jù)不完全統(tǒng)計，半數(shù)以上的發(fā)動機故障與發(fā)動機葉片的損傷與斷裂有關。
圖 1 渦輪葉片氣膜冷卻原理示意圖
Figure 1. Schematic illustration of film cooling technology of turbine blade
渦輪葉片基材通常為難加工高溫合金材料，氣膜孔孔徑一般為0.3~0.6 mm，特別針對大傾角斜孔的深徑比可高達13:1。因此，氣膜孔加工通常采用特種工藝方法，主要包括電火花加工（Electrical-Discharged Machining，EDM）、電化學加工（Electrochemical Machining，ECM）與激光加工[3-4]。隨著葉片結(jié)構(gòu)與制孔需求的多樣化發(fā)展，不同制孔工藝也相應得到了快速發(fā)展，呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢。然而，氣膜孔檢測技術的發(fā)展則略顯緩慢[5]。其原因一方面與小孔幾何尺寸及冶金質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集難度有關，另一方面也與單件葉片氣膜孔數(shù)量眾多、難以匹配制孔的生產(chǎn)節(jié)拍有關。事實上，將所有氣膜孔的全特征要素進行檢測并不現(xiàn)實，高性能航空發(fā)動機上僅高壓渦輪葉片就包含數(shù)萬個氣膜孔，因此制孔精度與質(zhì)量更多依靠制造工藝的成熟度與穩(wěn)定性。此外，隨著航空發(fā)動機性能需求的提升，燃氣渦輪進口溫度不斷攀升，對冷氣覆蓋效率提出更高的需求?？仔驮O計也由早期的簡單直圓孔演變?yōu)閺碗s異型孔，如簸箕孔、圓錐孔、水滴孔、貓耳孔等[6-7]，為制孔工藝方法與制造符合性評價提出了雙重挑戰(zhàn)。
近些年航空領域蓬勃發(fā)展，氣膜孔制造及檢測技術也隨之掀起研究熱潮，本文綜述典型制孔工藝的前沿進展與應用情況，并結(jié)合設計需求發(fā)展進行趨勢分析與總結(jié)歸納，進一步指出氣膜冷卻相關技術的發(fā)展方向。
1. 氣膜孔制孔工藝
1.1 電火花制孔
電火花制孔是目前渦輪葉片制孔領域技術最成熟、應用最廣泛的工藝方法，其加工效率較高、穩(wěn)定性較好。基于工具和工件（正、負電極）之間脈沖性火花放電來蝕除被加工材料，以達到對工件特定尺寸、形狀及表面質(zhì)量的加工效果[8]。電火花制孔參數(shù)中的電流與脈寬決定了單脈沖能量的大小，對加工質(zhì)量的影響較為顯著，脈停（即脈沖間隔時間）與內(nèi)沖液壓力跟放電產(chǎn)物（即殘渣）的輸運過程密切相關，因此對孔壁質(zhì)量和加工效率同樣影響較大。事實上，電火花加工技術在制孔領域能夠大顯身手，正是得益于空心管狀電極的成熟應用，解決了大深徑比小孔加工排渣的難題。
圖2為高速電火花小孔加工過程的示意圖，電極尖端放電不斷在孔底蝕除金屬基體材料，空心管狀電極使高壓內(nèi)沖液得以循環(huán)流動，將放電產(chǎn)生的殘渣輸運走，避免其在孔底堆積，進而使脈沖放電過程穩(wěn)定持續(xù)地向下推進。由于放電加工主要通過熱熔方式去除材料，不可避免地在孔壁形成重熔層等熱致缺陷。此前有學者認為，熱致缺陷可能導致葉片在長期服役后萌生孔壁裂紋，在交變載荷作用下進一步擴展，造成葉片斷裂[9]。然而，不同電火花制孔裝備及工藝所形成的孔壁重熔層，盡管在介觀尺度下僅能通過重熔層厚度加以區(qū)分，但在微觀組織形態(tài)上卻可能千差萬別。
董濤等[10]曾報道高溫合金電火花加工所形成的重熔層內(nèi)包含大量微孔洞、裂紋等缺陷，以及不同熔池間所形成的胞狀枝晶界面。但本課題組則通過開發(fā)低溫高壓內(nèi)沖液及高頻窄脈寬電源，基于單晶高溫合金外延生長技術形成了單晶態(tài)的孔壁重熔層，為過飽和的、與基體取向完全一致的FCC晶格結(jié)構(gòu)固溶體（圖3、圖4）。進一步采用熱處理控制單晶重熔層內(nèi)部的γ’相析出，形成了與單晶基體組織形貌完全一致的孔壁，徹底消除了重熔層[11]。但不可否認的是，重熔層內(nèi)部的微觀孔洞、粗糙的孔壁表面均無法通過熱處理組織調(diào)控予以消除，相比于重熔層這些幾何缺陷的存在，這些因素才更可能與失效有關，需要引起更為深入的關注。
圖 2 基于空心管狀電極的高速電火花小孔加工過程示意圖[2]
Figure 2. Schematic illustration of EDM drilling via tubular electrode[2]
圖 3 單晶高溫合金外延生長基體及重熔層衍射斑
Figure 3. Diffraction pattern of single crystal superalloy matrix and adjacent single crystal recast layer formed by epitaxial growth
圖 4 熱處理調(diào)控的孔壁重熔層微觀形貌
Figure 4. Hole wall microstructure of recast layer formed by heat treatment
1.2 電化學制孔
目前能相對成熟地應用于葉片制孔的電化學加工工藝包括電液束（圖5）與電火花?電解（圖6）復合加工。電液束加工為在空心玻璃管內(nèi)插入電極絲，酸性電解液在壓力作用下由玻璃管尖端流出形成循環(huán)，進而基于電化學腐蝕原理去除被加工材料。電化學加工的優(yōu)勢在于對熱致缺陷的控制，但在酸性電解液中單晶高溫合金的γ相相比于γ’相會被優(yōu)先腐蝕，使孔壁無可避免地形成電化學腐蝕層。電火花?電解復合加工是將電火花小孔機的高壓內(nèi)沖液由去離子水替換為鹽溶液，進而在電火花加工尖端放電的同時，通過側(cè)壁的電解反應去除孔壁重熔層。
由于孔入口段相比于出口段經(jīng)歷的電解腐蝕時間更長，一般入口段的重熔層去除效果較好，而出口段則還殘留有未完全去除的重熔層。電化學加工的另一方面優(yōu)勢在于對孔口尖角的倒鈍效應，氣膜孔孔壁與葉身內(nèi)、外型面所形成的相貫線如果未予倒角處理，可能在長期服役后因應力集中在孔口尖角處萌生裂紋，這一情況對于大傾角斜孔的銳角邊尤為顯著。但不可否認的是，電液束加工玻璃管破裂可能造成氣膜孔孔口偏大；電火花?電解復合加工在質(zhì)量控制與技術成熟度方面尚無法應用于工業(yè)生產(chǎn)，同時電化學廢液的處理也是需要綜合考慮的問題。
圖 5 電液束制孔示意圖[12]
Figure 5. Schematic illustration of electro stream machining[12]
圖 6 電火花?電解復合加工示意圖[13]
Figure 6. Schematic illustration of EDM and ECM hybrid process[13]
從制造能力看，無論是電液束制孔所涉及的玻璃管電極，還是電火花?電解復合加工所用的空心管電極，都只適用于簡單直圓孔的加工。如前所述，將葉片孔口擴張段設計為簸箕形、水滴形、貓耳形等復雜異型結(jié)構(gòu)，是為了使冷氣出射后更好地包覆葉片表面，而電化學加工不適用于異型孔，也注定無法適應燃氣渦輪進口溫度提升的必然趨勢。
1.3 激光制孔
為提高葉片承溫能力，高性能航空發(fā)動機高壓渦輪導向葉片、工作葉片葉身均需涂覆熱障涂層，其面層材料通常為氧化鋯陶瓷，而傳統(tǒng)電火花、電化學加工僅適用于加工導電性金屬材料，故工藝路線制定為“先制孔后涂層”。采用電子束物理氣相沉積（EB-PVD）工藝涂覆表面熱障涂層，會使涂層在孔口處堆積，造成縮孔、堵孔等問題，且使氣流出射方向偏離設計要求，進而影響冷卻氣膜的覆蓋效率[14]（圖7）。
激光對被加工材料無選擇性的特點，使其能夠在帶有熱障涂層的高溫合金上實現(xiàn)一次性制孔，進而實現(xiàn)了“先涂層后制孔”的新型工藝方法，有效提升了帶熱障涂層葉片的氣膜孔設計?制造符合性[15-16]。不止于此，服役后的葉片受發(fā)動機進口吸入的火山灰等雜質(zhì)影響，在葉片表面形成一層由Ca、Mg、Al、Si氧化物形成的尖晶石沉積物（簡稱CMAS），嚴重時亦可造成縮孔、堵孔，而激光加工亦可解決非導電性CMAS堆積物的去除通孔難題，具有不可替代的重要性。
圖 7 熱障涂層縮孔導致氣流出射方向偏離示意圖
Figure 7. Schematic illustration of jet trajectory deviation induced by hole shrinkage during thermal barrier coating
制孔質(zhì)量與激光脈沖寬度密不可分，適用于葉片氣膜孔加工的一般為納秒、皮秒及飛秒激光。納秒激光的單脈沖持續(xù)時間長于電子?晶格弛豫時間，電子在吸收激光能量后向晶格進一步傳熱，導致孔壁存在重熔層等熱致缺陷。飛秒激光及窄脈寬皮秒激光的單脈沖持續(xù)時間短于電子?晶格弛豫時間，電子吸收能量后來不及向晶格傳遞，在輔助吹氣作用下使材料剝離基體進而實現(xiàn)高精度、“冷加工”的效果[17-18]。然而，在超強激光輻照下孔內(nèi)團聚了高密度的等離子體，對后續(xù)激光形成強烈的屏蔽與散射作用，嚴重制約了大深徑比的小孔加工效率，同時孔壁亦傾向于形成棱線狀的起伏結(jié)構(gòu)（圖8）。通過在激光沖孔后增加修孔，可以一定程度上消除棱線結(jié)構(gòu)，提升孔壁粗糙度，但無疑降低了生產(chǎn)效率。另一方面，飛秒激光器及控制光板運動的振鏡系統(tǒng)成本較高，對于作業(yè)場所的環(huán)境波動較為敏感，仍需在裝備及工藝上持續(xù)攻關，使其滿足工廠環(huán)境下葉片批量化的制孔需求。
圖 8 飛秒激光精修孔壁輪廓
Figure 8. Hole wall surface profile by femtosecond laser drilling and finishing
無論是何種制孔方法，均是對被加工材料施以一定形式的能量，使材料被激發(fā)為較高能態(tài)，再結(jié)合流體將高能態(tài)的殘渣從孔內(nèi)向外輸運去除。施能與輸運相匹配才是制孔的理想狀態(tài)。若輸運強于施能，則需提高能量以提升加工效率；若施能強于輸運，則能量在孔內(nèi)累積，必將形成熱致缺陷。對于大深徑比的小孔而言，制孔越是深入，就越難以保障上述2個過程，特別是向外輸運殘渣的能力。電火花、電液束等加工方式，正是應用了空心管狀電極才保障了液體介質(zhì)的循環(huán)流動特性[19]，而激光制孔采用輔助吹氣的方式，對孔內(nèi)殘渣的輸運能力隨制孔深度的增加而迅速衰減，也從根本上限制了激光制孔在大深徑比小孔中的應用。水導激光的問世在一定程度上解決了這一瓶頸問題。激光在形同光纖的微水射流內(nèi)全反射式傳播，強力水射流強化了孔內(nèi)介質(zhì)的循環(huán)流動，進而使制孔深徑比得到提升。需要說明的是，水導激光一般采用納秒光源，所加工氣膜孔的孔壁仍無可避免地存在重熔層。
綜上所述，各種制孔方法在加工精度、質(zhì)量、成本及效率方面各有優(yōu)劣，所以國內(nèi)外學者掀起了對復合加工的研究熱潮。長短脈沖激光復合加工基于納秒、飛秒兩套激光光源，兩束激光共用光路同軸輸出，在沖孔階段采用納秒激光實現(xiàn)快速穿孔，在修孔階段采用飛秒激光對含有缺陷的孔壁進行精修，進而在保證質(zhì)量的前提下顯著降低生產(chǎn)成本。激光?電火花復合加工同樣采用電火花快速穿孔、飛秒激光精修孔壁的技術路線，但受限于加工工藝方法的差異，難以使葉片保持在原位加工，因此需要解決高精度重復定位的問題。而采用零點定位工裝避免葉片二次裝夾造成的定位誤差，結(jié)合葉片位姿輔助確認系統(tǒng)，可以達到重復定位精度不大于0.01 mm。此外，激光修孔還可用于去除“先涂層后制孔”葉片孔口堆積的陶瓷涂層，進而避免傳統(tǒng)工藝造成的縮孔、堵孔問題，但前提是制孔的機床具有足夠高的空間定位精度，并將孔位坐標、零件位姿準確傳遞至激光設備。
2. 氣膜孔后處理
如前所述，氣膜孔孔口尖角形成局部應力集中，在服役過程中極易萌生孔口裂紋，因此去除孔口尖角對于葉片可靠性的提升尤為重要。對外孔口的倒角，可以采用電火花銑削加工、激光光斑軌跡規(guī)劃等方式，亦可采用磁力研磨、磨粒流等方式處理。磁力研磨的磁針選擇至關重要，磁針直徑過大，則倒角效果不明顯，而直徑過小則可能進入孔內(nèi)甚至掉入葉片內(nèi)腔，因此，磁力研磨工藝優(yōu)化不僅包括電機轉(zhuǎn)速及處理時間，磁針的尺寸形狀也對倒角效果具有顯著影響[20-21]。磨粒流處理不僅適用于外孔口的倒角，更能針對葉片內(nèi)腔側(cè)的孔口進行倒角處理，同時使孔壁表面得到拋光[22]（圖9）；但需要關注處理后如何清除磨料，使其不致堵塞在葉片內(nèi)腔形成多余物，因此液體磨料更適用于帶有復雜冷卻腔道的空心葉片。
磨粒流處理工藝參數(shù)主要包括壓力與時間（循環(huán)次數(shù)），同時影響倒角尺寸的因素還包括磨料粘度、研磨顆粒粒度及濃度[23]，由于磨粒流以犁削加工的方式去除材料，故對于初始孔口、孔壁狀態(tài)要求較高。如存在孔口豁口、孔壁棱線、臺階等幾何缺陷，經(jīng)過研磨處理后可能使缺陷尺寸進一步放大。此外，針對孔壁重熔層去除的需求，也可采用化學研磨的方式進行后處理[24]。
圖 9 氣膜孔磨粒流處理前、后的孔口倒角形貌
Figure 9. Comparison of contour profile of hole orifice treated by abrasive flow
3. 氣膜孔檢測
氣膜孔檢測包括孔壁質(zhì)量與幾何尺寸2個方面。針對孔壁質(zhì)量的檢驗，主要依賴剖切金相的方法。一般將氣膜孔加工過程定義為特殊過程，需要對制孔工藝參數(shù)進行特殊過程確認。金相檢驗內(nèi)容包含孔壁重熔層、微裂紋、熱影響區(qū)、斷續(xù)小珠、腐蝕/氧化層、孔壁棱線/臺階、孔壁粗糙度等[25]。氣膜孔幾何尺寸包括孔徑、孔位、孔形等。其中，孔徑的檢測一般采用針規(guī)通止法，但針規(guī)所測為孔最小截面的短軸長度，受孔圓度、錐度的影響較大；孔位的檢測一般采用標準樣機目視對比法，但針對孔位精度驗收要求高的型號葉片，可選用裝配光學影像測頭的五軸測量機進行檢測[26]；孔形尺寸的符合性檢測難度較大，由于金相法僅適用于觀察某一剖切截面的輪廓形貌，而激光共焦檢測難以對壁面輪廓實現(xiàn)完整掃描，因此小焦點工業(yè)CT檢測成為評價孔形特征制造符合性的重要技術方法[27]。此外，工業(yè)CT還適用于對壁損傷的檢測，所謂對壁損傷，不僅包括空心葉片對側(cè)壁面的損傷防護，還包括內(nèi)腔隔板、筋條、擾流柱等冷卻結(jié)構(gòu)的防護（圖10）。
圖 10 工業(yè)CT掃描所獲取的異型氣膜孔孔壁輪廓
Figure 10. Contour profile of shaped hole measured by industrial CT system
檢測技術的發(fā)展是實現(xiàn)葉片自適應加工的重要基礎，只有準確采集氣膜孔的特征要素才能形成調(diào)整加工策略，進而對個體差異性予以補償。渦輪葉片型面存在鑄造偏差，在制定調(diào)整加工策略時應綜合考慮氣膜孔射流角度（孔軸線與葉身型面夾角）及氣膜孔間相對位置，也應預測調(diào)整后內(nèi)腔側(cè)孔出口位置，以免形成內(nèi)孔交叉、串孔等。數(shù)字孿生為實現(xiàn)加工狀態(tài)預測提供了技術方法，在虛擬世界中查驗自適應加工效果，經(jīng)確認后再回歸到現(xiàn)實世界中完成加工，將成為未來葉片制造與檢測深度融合的重要技術發(fā)展趨勢[28]。
4. 結(jié)束語
電火花制孔成本低、效率高，將長期作為高溫合金葉片制孔的基礎性工藝方法，后續(xù)發(fā)展重點包括電火花銑削加工、與其他工藝方法復合以及智能化電加工產(chǎn)線建設。電化學制孔難以符合異型孔孔型的發(fā)展趨勢，需要進一步探索并發(fā)展其制造能力，但在其他領域小孔加工中仍將發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著帶涂層葉片、服役后葉片堵孔修復及陶瓷基復材葉片制孔需求的提出，激光加工對被加工材料無選擇性的特點使其成為了必然選擇，然而對大深徑比小孔的加工能力不足，還需開展系統(tǒng)深入的工藝研究工作。
氣膜孔孔口倒角對葉片振動疲勞性能影響較大，具有較好的推廣應用前景，而氣膜孔檢測需形成完善的標準方法體系，推動自適應加工與智能制造技術在葉片制孔領域的長足發(fā)展。
