01
Uvod u ovaj članak
Ultrabrza laserska tehnologija napredna je tehnologija koja generira svjetlosne impulse visokog-intenziteta u iznimno kratkom vremenu, a njezine primjene u području zrakoplovstva sve više privlače pažnju. Ova je tehnologija poznata po svojim izvanrednim performansama u mjerenju, proizvodnji i komunikaciji, a njezina široka primjena u zrakoplovnom inženjerstvu pruža nove mogućnosti za poboljšanje performansi i sigurnosti zrakoplova.
Ultrabrzi laseri općenito se odnose na lasere s širinom impulsa manjom od 10^-12 sekundi, uglavnom uključujući femtosekundne lasere (1 fs=10^-15 s) i pikosekundne lasere (1 ps=10^-12 s). Budući da ultrabrzi laserski impulsi djeluju iznimno kratko, mogu trenutno proizvesti vrlo visoku vršnu snagu. Stoga, za razliku od uobičajenih metoda laserske obrade koje djeluju na materijale preko fototermalnih učinaka, mehanizam obrade ultrabrzih lasera je izravna elektronska apsorpcija stanja, koja prenosi energiju na rešetku materijala, kida njezine veze i na kraju je izbacuje kao plazmu. Štoviše, za razliku od toplinske obrade običnih kontinuiranih lasera, ultrabrza laserska obrada više je usklađena s metodom "hladne obrade". Iz perspektive mehanizma interakcije između lasera i materijala, femtosekundna laserska obrada može postići visoku preciznost, minimalne zone pod utjecajem topline, bez toplinskog taljenja, bez prelivenog sloja i bez mikropukotina. To je jedna od najboljih metoda za poboljšanje površinskog integriteta formiranja otvora za hlađenje filma lopatica turbine u zrakoplovnim motorima.
02 Specifične primjene (1) Obrada otvora za plinski film lopatica turbine zrakoplova
Kao ključna komponenta zrakoplovnog motora, dizajn, kvaliteta proizvodnje i radna izvedba lopatica turbine utječu na životni vijek motora. Općenito, premazi toplinske barijere nanose se na površinu legura za visoke-temperature kako bi oštrice dobile visoku žilavost, visoku plastičnost, otpornost na koroziju i otpornost na visoke-temperature. Osim toga, na površini su dizajnirane strukture rupa za plinski film. Otpuštanjem hladnog zraka iz unutrašnjosti komponente i stvaranjem protoka zraka kroz malene rupice, na površini se stvara zaštitni film hladnog zraka, izolirajući vrući plin i štiteći komponentu. Međutim, trenutne metode obrade, kao što je obrada električnim pražnjenjem i dugo-pulsna laserska obrada, imaju nedostatke, uključujući ne-vodljive slojeve toplinske barijere, raslojavanje premaza, pukotine i lomljenje premaza, što otežava proizvodnju dobro-formiranih malih rupa.
S razvojem tehnologije ultrabrze laserske obrade, femtosekundni laseri sada se koriste za stvaranje plinskih rupa na turbinskim lopaticama bez raslojavanja premaza ili pukotina, a dimenzijama koje zadovoljavaju tehničke zahtjeve. Ovo pruža novu tehnologiju za proizvodnju rupa za plinski film u komponentama zrakoplovnog motora.
Strojna obrada brojnih otvora za hlađenje plinskog filma na lopaticama obloženim toplinskom barijerom-je ključna za primjenu motora s visokim-učinkom omjera-i-težine, čime se postavljaju viši zahtjevi za obradu ovih obloženih lopatica. Femtosekundna laserska tehnologija obrade mikro-rupa, sa svojim prednostima visoke preciznosti, visoke kvalitete i hladne obrade, omogućuje visoko{6}}kvalitetnu obradu mikro-rupa za motore. Sa stalnim poboljšanjima u tehnologiji femtosekundnog laserskog bušenja, sada je moguće postići visoku{9}}preciznost obrade rupa u plinskom filmu na oštricama-obloženim toplinskom barijerom bez ponovno-otopljenih slojeva, mikro-pukotina ili zona-pogođenih toplinom, dok se osigurava da premaz toplinske barijere ne pocrni ili se ne ljušti nakon obrade. Stoga je femtosekundna laserska tehnologija obrade mikro-rupa spremna postati važna metoda za proizvodnju rupa u plinskom filmu na lopaticama turbine-obloženim toplinskom barijerom.
(2) Obrada filmskih otvora za hlađenje u komori za izgaranje zrakoplovnih motora
Plamena cijev glavna je komponenta komore za izgaranje zrakoplovnog motora i jedan od najvažnijih dijelova otpornih-na toplinu. Kako bi plamena cijev radila stabilno i kontinuirano u uvjetima ekstremno visoke-temperature, mora se hladiti. Trenutačno uobičajena metoda uključuje kombinaciju premaza i perforacija. Korištenje laserske obrade s dugim-pulsom može uzrokovati nedostatke kao što su ablacija premaza, prskanje i pucanje rubova, što značajno utječe na životni vijek plamene cijevi. Trenutačno se korištenjem pikosekundne laserske strojne obrade mogu proizvesti rupe za hlađenje filma bez raslojavanja ili ljuštenja velike-površine i dimenzija koje zadovoljavaju tehničke zahtjeve, kao što je prikazano na slikama 2 i 3.
(3) Strojna obrada posebnih{1}}oblikovanih utora u zrakoplovnim motorima
Učinak brtvljenja ima važan utjecaj na rad zrakoplovnih motora. Posljednjih godina, s razvojem zrakoplovne industrije, performanse motora se stalno poboljšavaju, a radni uvjeti postaju sve složeniji. Kvarovi uzrokovani neispravnim radom brtvila motora su u porastu i ti se problemi hitno moraju riješiti. Stoga su predloženi novi zahtjevi za tehnologiju brtvljenja motora. Brtve na vrhu prsta nova su vrsta uređaja koji se može koristiti za brtvljenje glavne komore ležaja i puteva protoka zraka zrakoplovnih motora. Strojna obrada komponenata brtve vrha prsta zahtijeva visoku preciznost. Trenutna mehanička obrada, obrada električnim pražnjenjem i laserska obrada s dugim-impulsom ne mogu riješiti probleme poput krivljenja i deformacije nastale tijekom obrade. Međutim, femtosekundni laseri zbog svoje iznimno visoke gustoće energije i vrlo kratkog vremena obrade osiguravaju visoku učinkovitost i preciznost u procesu strojne obrade. Nikakvi nedostaci kao što su preliveni slojevi, pukotine ili neravnine ne pojavljuju se na komponentama brtve na vrhovima prstiju, pružajući novu metodu za obradu posebnih-oblikovanih utora u visoko-preciznim dijelovima zrakoplovnog motora.
03
Zaključci i izgledi
Kao napredna tehnologija obrade materijala i izrade, ultrabrza laserska obrada ima široke izglede za primjenu u području proizvodnje zrakoplovnih motora. U inženjerskoj primjeni ultrabrze laserske obrade, različite parametre laserskog procesa treba odabrati prema karakteristikama materijala kako bi se smanjili koraci procesa, poboljšala učinkovitost obrade i osigurala točnost kvalitete i dimenzija oblikovanja materijala. S razvojem ultrabrze laserske tehnologije i poboljšanjem optimizacije procesa, problemi poput niske učinkovitosti obrade i ograničene obradive debljine bit će učinkovito riješeni. Štoviše, tehnologija dvostruko-pulsne laserske obrade, koja kombinira ultrabrzu lasersku obradu s dugo-pulsnom laserskom obradom, bit će budući smjer za poboljšanje kvalitete i učinkovitosti.
