01
Einleitung zu diesem Artikel
Die ultraschnelle Lasertechnologie ist eine fortschrittliche Technologie, die in extrem kurzer Zeit Lichtimpulse hoher Intensität erzeugt, und ihre Anwendungen im Luft- und Raumfahrtbereich erregen zunehmend Aufmerksamkeit. Diese Technologie ist für ihre herausragende Leistung in den Bereichen Messung, Fertigung und Kommunikation bekannt und ihre weit verbreitete Anwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik bietet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung und Sicherheit von Flugzeugen.
Ultraschnelle Laser beziehen sich im Allgemeinen auf Laser mit Pulsbreiten von weniger als 10^-12 Sekunden, darunter hauptsächlich Femtosekundenlaser (1 fs=10^-15 s) und Pikosekundenlaser (1 ps=10^-12 s). Da ultraschnelle Laserpulse eine extrem kurze Wirkungsdauer haben, können sie sofort eine sehr hohe Spitzenleistung erzeugen. Daher ist der Verarbeitungsmechanismus von Ultrakurzpulslasern im Gegensatz zu herkömmlichen Laserbearbeitungsmethoden, die durch photothermische Effekte auf Materialien einwirken, die direkte Absorption elektronischer Zustände, die Energie auf das Gitter des Materials überträgt, seine Bindungen aufbricht und es schließlich als Plasma ausstößt. Darüber hinaus ähnelt die ultraschnelle Laserbearbeitung im Gegensatz zur thermischen Bearbeitung gewöhnlicher kontinuierlicher Laser eher einer „Kaltbearbeitungsmethode“. Aus Sicht des Wechselwirkungsmechanismus zwischen Laser und Material kann die Femtosekunden-Laserbearbeitung eine hohe Präzision, minimale thermisch beeinflusste Zonen, kein thermisches Schmelzen, keine Neugussschicht und keine Mikrorisse erreichen. Es handelt sich um eine der besten Methoden zur Verbesserung der Oberflächenintegrität der Bildung von Kühllöchern in Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken.
02 Spezifische Anwendungen (1) Gasfilmlochbearbeitung von Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken
Als Kernkomponente eines Flugtriebwerks wirken sich Design, Fertigungsqualität und Betriebsleistung von Turbinenschaufeln auf die Lebensdauer des Triebwerks aus. Im Allgemeinen werden Wärmedämmschichten auf die Oberfläche von Hochtemperaturlegierungen aufgetragen, um den Schaufeln eine hohe Zähigkeit, hohe Plastizität, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit zu verleihen. Darüber hinaus werden auf der Oberfläche Gasfilm-Lochstrukturen gestaltet. Durch die Freisetzung kalter Luft aus dem Inneren des Bauteils und die Erzeugung eines Luftstroms durch winzige Löcher bildet sich auf der Oberfläche ein schützender Kaltluftfilm, der heißes Gas isoliert und das Bauteil schützt. Allerdings weisen aktuelle Bearbeitungsmethoden, wie die elektrische Entladungsbearbeitung und die Langpuls-Laserbearbeitung, Nachteile auf, darunter nicht-leitende Wärmedämmschichten, Ablösung der Beschichtung, Risse und Absplitterungen der Beschichtung, was die Herstellung gut geformter kleiner Löcher erschwert.
Mit der Entwicklung der ultraschnellen Laserbearbeitungstechnologie werden nun Femtosekundenlaser eingesetzt, um Gaslöcher in Turbinenschaufeln zu erzeugen, ohne dass sich die Beschichtung ablöst oder Risse entstehen und die Abmessungen den technischen Anforderungen entsprechen. Damit steht eine neue Technologie zur Herstellung von Gasfilmlöchern in Flugzeugtriebwerkskomponenten zur Verfügung.
Die Bearbeitung zahlreicher Gasfilm-Kühllöcher an Turbinenschaufeln mit Wärmedämmschichtbeschichtung ist für den Einsatz von Triebwerken mit hohem Schub-{1}zu-Gewichtsverhältnis und hoher{3}}Leistung von entscheidender Bedeutung und stellt daher höhere Anforderungen an die Bearbeitung dieser beschichteten Schaufeln. Die Femtosekundenlaser-Mikrolochbearbeitungstechnologie mit ihren Vorteilen hoher Präzision, hoher Qualität und Kaltbearbeitung ermöglicht die hochwertige Mikrolochbearbeitung für Motoren. Durch kontinuierliche Verbesserungen in der Femtosekunden-Laserbohrtechnologie ist es nun möglich, eine hoch{9}}präzise Bearbeitung von Gasfilmlöchern auf mit einer Wärmedämmschicht-beschichteten Schaufeln zu erreichen, ohne dass erneut geschmolzene Schichten, Mikrorisse oder hitzebeeinflusste Zonen auftreten. Dabei wird sichergestellt, dass die Wärmedämmschicht nach der Bearbeitung nicht schwarz wird oder sich ablöst. Daher ist die Femtosekundenlaser-Mikrolochbearbeitungstechnologie auf dem besten Weg, eine wichtige Methode zur Herstellung von Gasfilmlöchern auf Turbinenschaufeln mit Wärmedämmschicht zu werden.
(2) Bearbeitung von Filmkühlungslöchern in der Brennkammer von Flugtriebwerken
Das Flammrohr ist ein Hauptbestandteil der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks und eines der wichtigsten hitzebeständigen Teile. Um sicherzustellen, dass das Flammrohr unter extrem hohen Temperaturen stabil und kontinuierlich arbeitet, muss es gekühlt werden. Derzeit ist eine gängige Methode eine Kombination aus Beschichtungen und Perforationen. Bei der Laserbearbeitung mit langen Pulsen kann es zu Defekten wie Beschichtungsablösung, Spritzern und Kantenabsplitterungen kommen, die die Lebensdauer des Flammrohrs erheblich beeinträchtigen. Derzeit können durch die Pikosekunden-Laserbearbeitung Filmkühllöcher ohne großflächige Delaminierung oder Abplatzungen auf der Oberfläche und mit Abmessungen erzeugt werden, die den technischen Anforderungen entsprechen, wie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt.
(3) Bearbeitung speziell-geformter Nuten in Flugzeugtriebwerken
Die Dichtungsleistung hat einen wichtigen Einfluss auf die Leistung von Flugtriebwerken. In den letzten Jahren hat sich mit der Entwicklung der Luftfahrtindustrie die Leistung der Triebwerke stetig verbessert und die Betriebsbedingungen sind immer komplexer geworden. Ausfälle aufgrund von Motordichtungsstörungen nehmen zu und diese Probleme müssen dringend angegangen werden. Daher wurden neue Anforderungen an die Motordichtungstechnologie vorgeschlagen. Fingerspitzendichtungen sind eine neue Art von Vorrichtung, die zum Abdichten der Hauptlagerkammer und der Luftströmungswege von Flugzeugtriebwerken verwendet werden kann. Die Bearbeitung von Fingertip-Dichtungskomponenten erfordert eine hohe Präzision. Aktuelle mechanische Bearbeitung, elektrische Entladungsbearbeitung und Langpuls-Laserbearbeitung können Probleme wie Verzug und Verformung, die während der Bearbeitung entstehen, nicht lösen. Allerdings sorgen Femtosekundenlaser aufgrund ihrer extrem hohen Energiedichte und sehr kurzen Bearbeitungszeit für eine hohe Effizienz und Präzision im Bearbeitungsprozess. An Fingerspitzen-Dichtungskomponenten treten keine Defekte wie Neugussschichten, Risse oder Grate auf, was eine neue Methode zur Bearbeitung speziell geformter Nuten in hochpräzisen Flugzeugtriebwerksteilen darstellt.
03
Schlussfolgerungen und Ausblick
Als fortschrittliche Materialverarbeitungs- und Fertigungstechnologie bietet die ultraschnelle Laserbearbeitung breite Anwendungsaussichten im Bereich der Herstellung von Luft- und Raumfahrttriebwerken. Bei der technischen Anwendung der ultraschnellen Laserbearbeitung sollten je nach Materialeigenschaften unterschiedliche Laserprozessparameter ausgewählt werden, um Prozessschritte zu reduzieren, die Verarbeitungseffizienz zu verbessern und die Genauigkeit der Materialformqualität und -abmessungen sicherzustellen. Mit der Entwicklung der ultraschnellen Lasertechnologie und der Verbesserung der Prozessoptimierung werden Probleme wie geringe Bearbeitungseffizienz und begrenzte bearbeitbare Dicke wirksam gelöst. Darüber hinaus wird die Dual{3}}Puls-Laserbearbeitungstechnologie, die ultraschnelle Laserbearbeitung mit Langpuls-Laserbearbeitung kombiniert, die zukünftige Richtung zur Verbesserung von Qualität und Effizienz sein.
