當(dāng)GE 航空集團(tuán)（GE Aviation）和GE 電力集團(tuán)（GEPower）的官員就大力投資新技術(shù)展開討論時，他們更愿意將它描述為一種經(jīng)過精心謀劃但又十分必要的風(fēng)險。作為GE( 通用電氣) 公司下的一個業(yè)務(wù)集團(tuán)，GE 航空有超過1,500 億美元的未交付工業(yè)訂單，這意味著可以制造出15,000 臺噴氣發(fā)動機，其中大部分將供應(yīng)給空客和波音。因此，噴氣發(fā)動機的開發(fā)人員正在研究如何改進(jìn)設(shè)計方式和使用新的材料，以改善產(chǎn)品的性能。
如今，越來越多的激光技術(shù)正用于克服常規(guī)加工技術(shù)在渦輪部件加工方面存在的局限性。例如，激光可以穿透熱涂層，對渦輪零件進(jìn)行鉆孔。如果使用電火花加工（EDM），必須在涂敷熱涂層前鉆鑿冷卻液孔，從而產(chǎn)生額外的操作。雖然激光適用于加工極其堅硬的材料，但激光束產(chǎn)生的熱量可能會造成一定的副作用。
就航空渦輪部件而言，冶金質(zhì)量非常重要。因激光產(chǎn)生的熱而造成的兩種后果將影響發(fā)動機組件的生命周期：熔融材料在加工過程中粘附在工件上形成的重鑄層，以及熱影響區(qū)（HAZ）會因機加工產(chǎn)生的熱量而改變基材的結(jié)構(gòu)。
激光技術(shù)最適合于加工這種超硬材料。專注于微水刀激光技術(shù)的瑞士Synova公司的水導(dǎo)激光工藝（Laser MicroJet，簡稱LMJ）能夠?qū)崿F(xiàn)大功率激光束精密激光加工，不會產(chǎn)生任何熱損傷。在LMJ 系統(tǒng)中，激光束通過壓水室后聚焦到噴嘴內(nèi)。
激光技術(shù)使高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的設(shè)計和制造成為可能。由于航空航天制造商致力于提高發(fā)動機效率以及降低燃油消耗，他們希望通過重新設(shè)計渦輪部件和開發(fā)新材料以承受更高的溫度。相比采用傳統(tǒng)的干式激光手段來加工這種材料，Synova的LMJ技術(shù)采用水射流引導(dǎo)的激光，顯著減少了熱影響區(qū)。
噴嘴射出的低壓水射流通過水- 氣界面的全內(nèi)反射來引導(dǎo)激光束。水射流直徑通常介于30μm -80μm之間，所需激光功率在10W~200W之間。盡管原理看似簡單，但工藝上能夠做到如今這般的精細(xì)，則經(jīng)過了多年的實驗和優(yōu)化。
LMJ的技術(shù)原理基于在氣- 水界面建立一個完全反射的激光束，利用的是空氣和水之間的折射率差異（圖1），因此，激光被作為圓柱形光束完全包含在水射流中，原理上類似于光纖。
圖1：水導(dǎo)激光工藝 (LMJ) 的技術(shù)原理
LMJ加工過程分為兩個階段。激光脈沖的能量使工件材料加熱揮發(fā)，水在脈沖間隙冷卻并清潔表面。在激光掃描過程中形成的溝槽，隨著掃描次數(shù)增加，溝槽會變得越來越深。
與傳統(tǒng)干式激光加工相反，水導(dǎo)激光工藝通過平行光束切割，工作距離可以延伸到幾厘米（圖2）。
圖2：傳統(tǒng)干式激光（a）和LMJ 水導(dǎo)激光工藝(b) 的調(diào)焦機制對比
傳統(tǒng)激光器的情況則不同。這類激光的聚焦光束從光束發(fā)散處開始的工作范圍只有幾毫米。光束聚集于一個焦點然后發(fā)散，所以需要控制焦距，工作距離也較短。
LMJ工藝具有幾個優(yōu)點。首先，不需要調(diào)整焦距，切口兩側(cè)即可以保持平行。由于水的冷卻作用，熱影響區(qū)保持在最低水平。最后，切口碎片的洗除率很高。
水射流的優(yōu)勢
水射流技術(shù)消除了干式激光系統(tǒng)通常存在的需要維持激光聚焦所帶來的復(fù)雜性和工藝變化的難題。其核心優(yōu)勢主要包括：
● 水引導(dǎo)激光。這種應(yīng)用對激光對焦平面不敏感。它會產(chǎn)生圓柱形激光束，形成完全平行的壁面和緊實的切口寬度。用戶還可以切割較厚的或不平整的部件，不必?fù)?dān)心對焦問題。
● 水冷卻材料。激光燒蝕過程中會產(chǎn)生熱量。當(dāng)使用傳統(tǒng)干式激光系統(tǒng)時，周圍的材料吸收大量的激光能量，產(chǎn)生不理想的熱影響區(qū)。而利用LMJ工藝，大部分的熱量消散到水中，因此熱影響區(qū)對工件的影響非常小。導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生的條件，如微裂紋、氧化、熱損傷，或變形一并減少。
● 水清潔表面。使用傳統(tǒng)的干式激光手段時，激光燒蝕材料的一部分會沉積和固化，從而形成有害的渣滓。采用LMJ工藝，在材料固化前，用水射流去除材料，形成更清潔的入口、壁面和表面，并且不會產(chǎn)生顆粒沉積或毛刺。
擴(kuò)散孔的幾何形狀
各種形式的氣膜冷卻已成為主流的渦輪冷卻技術(shù)。大多數(shù)研究主要側(cè)重于渦輪熱氣通道表面的離散孔或排孔，如渦輪葉片中所看到的（圖3）。
圖3：帶冷卻孔的渦輪葉片
氣膜冷卻幾乎完全通過使用離散孔和均勻分布的排孔完成。所有的氣膜冷卻孔可以是圓形，也可以呈異形。異形孔在熱氣表面上有均勻?qū)ΨQ的膨脹出口區(qū)。最常見的是，實際中使用的所有異形孔都有扇形散熱出口，每個縱側(cè)面的發(fā)散角介于10°和15°之間，橫側(cè)面上同樣如此。
圖4 這是一個擴(kuò)散孔的設(shè)計示例。
一個重大的進(jìn)展是將圓形孔改為扇狀異形孔或擴(kuò)散孔。雖然圓形冷卻孔的使用很普遍，但航空航天設(shè)計師越來越多地使用諸如擴(kuò)散孔等更為復(fù)雜的幾何形狀。為了促進(jìn)氣體流動，擴(kuò)散孔的形狀和深度會有所不同，以適應(yīng)零件細(xì)部的三維形狀（圖4）。這些形狀涵蓋錐形、方形和長方形等。最后的貫通孔往往不是圍繞外層的擴(kuò)散孔分布的。
這些不同的孔可能具有特定的形式和功能，無論功能有限還是廣泛，每一種孔最終會面臨制造、可操作性和成本效益等方面的挑戰(zhàn)。
過去，制造技術(shù)限制了氣膜孔的幾何形狀，包括氣膜孔的長徑比、氣膜孔的軸向角、外表面切線角，以及孔出口的形狀和大小。五軸數(shù)控（CNC）激光加工使這些局限性得以攻克。
為了解決整體效率和冶金質(zhì)量的問題，鉆孔工藝要求最大限度地提高加工速度，同時提高對每個細(xì)部加工深度和位置精度的控制。
Synova 公司的五軸MCS 500系統(tǒng)（圖5）將LMJ技術(shù)與基于牧野的平臺融合在一起。它專為工業(yè)燃?xì)鉁u輪組件冷卻孔的3D加工和鉆孔而設(shè)計?？梢砸徊郊庸ぞ哂袩嶙韪敉繉拥某辖饻u輪葉片，陶瓷涂層不會產(chǎn)生裂紋，并且金屬結(jié)構(gòu)中的重鑄層極低。
最近由GE Power 發(fā)布的報道顯示，在位于南卡羅來納格林威治的先進(jìn)制造工程中心(advanced Manufacturing Works) 設(shè)施的技術(shù)團(tuán)隊使用該系統(tǒng)進(jìn)行了冷卻空和擴(kuò)散孔的鉆銑，改善了燃?xì)鉁u輪的整體性能。據(jù)GE 的AMW 經(jīng)理估計，每個部件還將節(jié)約高至七小時的人力成本。
新的神奇材料
GE航空和GE電力已率先開發(fā)了陶瓷基復(fù)合材料（CMC），以代替噴氣發(fā)動機和燃?xì)鉁u輪機熱段的某些金屬部件。用陶瓷基復(fù)合材料制成的組件的重量是合金部件的三分之一。這種材料還使得燃?xì)鉁u輪和噴氣發(fā)動機可以在更高的溫度運行，因為它們的化學(xué)性質(zhì)使它們能夠在不發(fā)生故障的情況下達(dá)到更高的溫度。帶這些部件的發(fā)動機可以更有效地運行，并可降低飛機的總重量，從而減少燃料消耗和廢棄排放，同時在未來持續(xù)提高發(fā)動機的效率。
事實上，GE的CMCs材料能夠用于比當(dāng)前高壓渦輪機用常規(guī)鎳合金所能承受的溫度更高的場合。金屬零件需要大量的專門提供的冷卻氣體，它會直接從發(fā)動機的氣流中帶走這些氣體，并降低發(fā)動機效率。然而，CMCs的重量僅為鎳的1/3，冷卻需求很低甚至不需要，因此，實現(xiàn)了顯著的效率提升。
“GE 一直堅持投資內(nèi)部資源，以推動CMC 技術(shù)的發(fā)展，”加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）材料科學(xué)教授Jenn Ming Yang 指出，“最初，他們嘗試著在發(fā)電用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中使用CMCs，我認(rèn)為他們已經(jīng)獲得了足夠的能力和經(jīng)驗來推動該材料在飛機引擎中得到更廣泛的使用。”
GE航空是首家在商用噴氣發(fā)動機的熱段采用耐熱、輕質(zhì)CMC組件的公司。公司已經(jīng)建立了利用來自美國阿拉巴馬亨茨維爾原材料工廠材料、在北卡羅來納阿什維爾批量生產(chǎn)CMC組件的供應(yīng)鏈。阿什維爾的生產(chǎn)設(shè)施配備了LMJ 激光技術(shù)，用以3D加工CMC零件至成品尺寸。與此同時，位于格林維爾的GE電力技術(shù)小組也發(fā)現(xiàn)，MCS500型號的5軸激光加工設(shè)備特別適合于加工CMC組件。
GE電力甚至走得更遠(yuǎn)，開發(fā)出了基于LMJ技術(shù)的專利，提高了渦輪機部件激光加工的生產(chǎn)效率。這種供應(yīng)商和用戶之間的合作關(guān)系擴(kuò)大了激光技術(shù)可以應(yīng)用到機加工燃?xì)鉁u輪和噴氣發(fā)動機部件的領(lǐng)域。
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