渦輪是航空(kong)發動機中熱負荷(he)和機械(xie)負荷(he)最大的部件，渦輪葉片的工(gong)作環(huan)境(jing)尤為惡劣(lie)，在(zai)發動機循環(huan)中，它承(cheng)受著燃燒(shao)后的高(gao)溫高(gao)壓燃氣沖(chong)擊，其制造(zao)技術也被列為現代航(hang)空發動機的關鍵技術。發動機性能很大程度上取(qu)決于渦輪(lun)進口(kou)溫度的高(gao)低，它受渦輪(lun)葉片材料的限(xian)制。對這些部件(jian)進行連續(xu)不斷的(de)(de)冷(leng)卻，可(ke)(ke)以允許它們的(de)(de)工作環境溫度(du)超(chao)過材料的(de)(de)熔(rong)點，這樣仍能安全可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)工作，氣膜冷(leng)卻技術是(shi)具(ju)有代表性(xing)的(de)重要結構改進(jin)之一，大大提高了發動機的(de)性(xing)能，同(tong)時也(ye)對(dui)氣膜孔加工技術提出了更高的(de)(de)要求。隨著制造技術的(de)(de)發展，氣膜孔加工新(xin)技術也不斷出現(xian)，在(zai)傳統的(de)(de)激光打孔（Laser）、電火花高速打(da)孔(kong)（EDM）、電化學打(da)孔(kong)（ECM）等加工方法的基礎上，又(you)發展了激光電火花復合(he)打(da)孔(kong)、電解(jie)電火花復合打孔等新工藝，去除(chu)重熔層(ceng)技(ji)術(shu)在磨粒(li)流的基(ji)礎(chu)上，又發展(zhan)用了化學研磨技(ji)術(shu)、電解質- 等(deng)離子(zi)加工(gong)等(deng)新技(ji)術，為提高渦輪葉片氣膜孔加工(gong)量(liang)、技(ji)術水平和(he)生產效率做出了(le)重要貢獻。
據統計，渦輪前溫度平均每年升高25K，其中約15K是依靠冷卻技術的進步取得的。在過去的三、四十年(nian)中，渦(wo)輪(lun)進口溫度提高(gao)了(le)大約(yue)450K。其(qi)中70%是由于渦(wo)輪(lun)工作葉片和導向(xiang)葉片的高(gao)效冷卻設(she)計取得(de)的，而(er)另外30% 應歸于(yu)高溫合金(jin)和鑄造加工(gong)工(gong)藝的改進。隨著航空發(fa)動(dong)機技術的發(fa)展，出現了許多先進的渦(wo)輪葉片冷卻技術，其發展趨勢如圖1所示。
提高渦輪進(jin)口溫(wen)度是增大和提高發動機推(tui)力與推(tui)重(zhong)比的重(zhong)要手段。在材料耐溫(wen)能力有限的前提下(xia)，渦(wo)輪葉片冷卻技術成(cheng)為了提(ti)高(gao)渦(wo)輪進口溫度、保證(zheng)渦(wo)輪在高(gao)溫環境下(xia)可(ke)(ke)靠工作的可(ke)(ke)行且(qie)高(gao)效(xiao)的途徑。為此，世界航(hang)空發(fa)動(dong)機設計與制(zhi)造商研究(jiu)和(he)開發(fa)了大(da)量的渦輪葉片冷卻技術，成功地驗(yan)證和(he)應用了沖(chong)擊、對流(liu)、氣膜、復合冷(leng)卻、鑄冷(leng)和超冷(leng)等葉片(pian)技術，并且在(zai)提高渦輪進口溫度（進而提高渦扇發動機的(de)性能）方(fang)面取得了很好的(de)效(xiao)果(guo)。圖2為渦輪葉片及(ji)其(qi)內部(bu)冷卻通(tong)道的(de)形式圖。
氣膜冷卻技術的主要結構特點是在渦輪葉片前緣、葉身型面等部位設計了大量的氣膜孔，孔徑一般在0.2~0.8mm，空間角度復(fu)雜(za)。因而，氣膜孔的加(jia)工技術成為渦輪葉片制造(zao)的關鍵技術之(zhi)一。
目前，葉片氣膜冷卻孔的加工主要采用激光打孔、電火花打孔、電液束打孔等方法，各種方法均有各自(zi)的(de)特(te)點(dian)。激(ji)光打(da)孔(kong)效率高(gao)，但重(zhong)熔層較(jiao)厚(hou)；電火花打(da)孔(kong)重(zhong)熔層相對較(jiao)薄(bo)；而電液束打(da)孔(kong)無重(zhong)熔層，質量好(hao)，但效率較(jiao)低。
1激光打孔
激光(guang)打(da)孔成形的工藝(yi)方(fang)法分為定點沖擊打(da)孔和旋切打(da)孔：
(1)定點沖擊打孔：聚焦的面功率密度不低于106kW/cm2。其加工范圍為徑：0.01~1.0mm；孔深：5~15mm。孔的(de)特(te)征為喇叭口，錐度(du)，不圓度(du)，不直(zhi)度(du)，粗(cu)糙(cao)度(du)Ra=6.3μm。孔壁冶金質量為有0.15mm的重熔層。
(2)旋切打孔：激光束旋轉，工件旋轉。其優點為孔壁冶金質量好，孔形規矩，孔徑不受限制。其缺點為孔深受(shou)限。
激光打孔的優點是不論材料的種類和硬度都可進行，所以應用范圍較廣，但因其精度較差，重復精度也較低，所以用(yong)量、規模都不是很大。但對一些特殊零件，采用(yong)激(ji)光打孔卻(que)取得了很大效益，如渦(wo)輪(lun)葉片(pian)氣膜孔加工采用YAG激光旋切，僅在孔壁(bi)局部范圍(wei)尚(shang)存在重熔(rong)層，最(zui)大(da)厚度小于0.05mm，個(ge)別孔存在微裂紋，但不進入基體。
另外激光打孔對高硬度、非導體材料的微小孔、孔數量很大的零件進行加工也很有優勢，如發動機擴散器隔熱(re)屏等結(jie)構件的打孔加工。
2電火花打孔
高速電火花打孔加工原理是在旋轉的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時保持高電流密度連續(xu)正常放電。電極旋(xuan)轉可(ke)使(shi)端面(mian)損耗均勻，不致受(shou)高壓、高速工作(zuo)液的反作(zuo)用力而(er)偏斜。在氣膜冷卻孔主要打(da)孔工(gong)藝方法中，電火(huo)花打(da)孔工(gong)藝應(ying)用的(de)時(shi)間最長，技術也最為(wei)成熟。電火(huo)花打(da)孔(kong)工藝最突出的(de)特點是，其(qi)重(zhong)熔(rong)層(ceng)厚(hou)度僅(jin)有激光打(da)孔(kong)重(zhong)熔(rong)層(ceng)厚(hou)度的(de)一半，可控制在(zai)0.02mm以下， 能夠滿足(zu)所有發動機熱端部件(jian)的冶(ye)金質量要(yao)求。對于某些(xie)位于葉身(shen)型面的氣膜冷卻孔，國(guo)外標準允許有少量重(zhong)熔層存在(zai)，且均使(shi)用高速(su)電火花(hua)打(da)孔機床，重(zhong)熔層厚度一般控制在(zai)0.04mm以內。
近年來隨著數控技術的發展，國外一些公司開始裝備多軸、多通道數控電火花專用打孔機，其加工效(xiao)率與激光打孔工藝(yi)已(yi)有可比(bi)性，國外航空發動機熱(re)端部件正越來越多地采用電(dian)火花打孔加工工藝(yi)，這已(yi)成(cheng)為近年來的新趨勢。圖3為多(duo)軸數控(kong)高(gao)速電火花(hua)小孔(kong)(kong)機加(jia)工葉片氣(qi)膜孔(kong)(kong)示(shi)意圖。電火花(hua)打孔(kong)(kong)工(gong)藝主(zhu)要(yao)適用于以下(xia)4個方面：對(dui)重熔層厚(hou)度(du)有嚴格要(yao)求的零部(bu)件；非(fei)圓異形孔(kong)的加工(gong)；加工(gong)路線不開敞、無法(fa)用激光(guang)方法(fa)加(jia)工(gong)的氣膜(mo)冷卻(que)孔；材料用電化學打孔工(gong)藝無法(fa)加(jia)工(gong)的零部(bu)件。
電火花打孔工藝在國內很早就應用于航空零件加工，國內各發動機生產廠都擁有大量各型電火花機床。在80年代中期(qi)，發動機廠將(jiang)電火(huo)花打孔(kong)工藝(yi)用(yong)于渦(wo)噴發動機渦(wo)輪導(dao)向葉片氣膜(mo)冷卻孔(kong)的加工，加工(gong)設備為國產精密電火花機，直徑0.5mm的孔(kong)加工(gong)時間約20s，該工(gong)藝作為渦噴(pen)系列發動機的標(biao)準(zhun)工(gong)(gong)藝，一直在發動機(ji)工(gong)(gong)廠使用，加工(gong)(gong)葉片(pian)質量穩(wen)定。
隨著國內新型航空發動機性能的不斷提高，發動機熱端部件已廣泛采用氣膜冷卻技術。如何有效地減少渦輪重(zhong)要(yao)部件氣膜冷卻孔的重(zhong)熔層厚度對保證發(fa)動機的質量有重(zhong)大意(yi)義。近兩年針(zhen)對新型發(fa)動機的(de)研制需要(yao)，發(fa)動機廠(chang)對渦輪工作葉片氣膜冷卻(que)孔的(de)電火花打(da)孔工藝(yi)進行(xing)了反復試驗研究(jiu)，采用正交試驗法，找出了影響重(zhong)熔層厚度的工(gong)(gong)藝參數，并(bing)確定了最優工(gong)(gong)藝參數組(zu)合。為了驗證(zheng)最優工(gong)(gong)藝參數組合(he)的合(he)理性，再(zai)選取(qu)一(yi)組較好參數與正交試驗優選的最優水平(ping)組合(he)進行(xing)比(bi)較驗證，將(jiang)每一(yi)個試片上(shang)的10~12個(ge)氣(qi)膜孔(kong)進行重熔(rong)層厚度檢查，并對檢查結果(guo)進行比較(jiao)，由重熔(rong)層平均厚度值分析可得φ0.3、φ0.5孔的(de)(de)理想(xiang)參數(shu)組合(he)，同(tong)時也是正交試(shi)驗(yan)優選的(de)(de)兩組最優水平組合(he)，該結論驗(yan)證了正交(jiao)試驗(yan)的(de)理(li)論結果。
3電化學打孔
電化學打孔也稱為電解打孔，根據加工用的電極不同，有以下兩種方法：一種是CD（ECF）毛細管加工，采用(yong)玻璃管內的(de)金屬(shu)絲電極，也就是我們所說的(de)電液(ye)束(shu)打孔(kong)，加工孔(kong)直徑在表(biao)1葉片氣膜孔(kong)加工工藝參數參考值φ0.25mm~0.5mm，最大加(jia)工孔(kong)深(shen)50mm ；另一種(zhong)是型(xing)管電極加(jia)工，采用中空的外壁涂有絕(jue)緣涂層的金屬管作為(wei)電極，加(jia)(jia)工孔直徑在φ0.5mm~φ7mm，最(zui)大加(jia)(jia)工孔深600mm。兩種加(jia)(jia)工方(fang)式分別如圖(tu)(tu)5、圖(tu)(tu)6所示。
對于冷卻孔位于葉片后緣或葉片頂部，采用電解加工工藝打孔。此處，采用這種工藝的主要原因較多，比如此區域(yu)的(de)(de)冷卻孔間距(ju)和(he)孔徑(jing)過小；孔外(wai)緣距(ju)外(wai)壁的(de)(de)間距(ju)過小；此處的(de)(de)孔的(de)(de)深徑(jing)比較大等。另外，如重熔(rong)層(ceng)存(cun)在(zai)則(ze)有可能導致(zhi)穿壁透孔(kong)等問(wen)題產生。
目前國內研究所已研制了電液束打孔工藝及設備，并在發動機單晶渦輪葉片氣膜孔加工上應用，該工(gong)藝(yi)方法加工(gong)的氣膜孔(kong)不(bu)存在重熔層(ceng)、微裂(lie)紋、熱(re)影(ying)響區，進出口(kou)可自然形(xing)成(cheng)一定的圓角，孔(kong)壁光滑。電液束打孔金相圖如圖7所示。但電液束打孔加(jia)工速度(du)一般在1.8~2.5mm/min，遠遠低于電火(huo)花高速打孔速度（50mm/min）。其特點是：可用于表面(mian)精(jing)加工；孔徑φ0.25mm~φ5.0mm ；表面(mian)粗糙度Ra取(qu)決于材料和工藝；由于流動問(wen)題會產(chan)生平滑(hua)的表面(mian)波紋；金相(xiang)無熱影響(xiang)區域；無殘余表面(mian)應力；無裂化現(xian)象；如(ru)果出(chu)現(xian)碳化物，可(ke)能出(chu)現(xian)晶粒間腐蝕；不(bu)溶金屬會(hui)導致氧化皮。
在氣膜冷卻孔打孔工藝方法中，激光打孔工藝不需要工作電極，在數控工作臺上安裝零件不需要制作復雜的(de)工裝，氣(qi)膜冷(leng)卻孔(kong)的(de)尺寸可以任意調節(jie)，是最適宜作為(wei)新(xin)機研制(zhi)時打(da)孔(kong)的(de)工藝方法。電火(huo)花打孔成本低，加工質(zhi)量(liang)(liang)比激光加工重(zhong)熔層薄。而電液束加工質(zhi)量(liang)(liang)最好，但效率(lv)相對(dui)較(jiao)低，成本較(jiao)高。
隨著先進制造技術的發展，新的氣膜孔加工工藝被不斷開發出來。對于帶有陶瓷涂層葉片的氣膜孔加工(gong)(gong)，國(guo)內(nei)發動機(ji)制造企(qi)業目前(qian)采用(yong)的工(gong)(gong)藝為(wei)：先(xian)加工(gong)(gong)氣膜冷卻(que)孔，然后涂覆陶瓷層(ceng)，最后用(yong)微型鉆(zhan)頭在相應孔位處去除陶瓷(ci)涂層，其工序復雜、效率低、質量不易控(kong)制。國(guo)外加工工藝為(wei)在葉(xie)片上先涂(tu)覆陶瓷涂(tu)層，然后采用激光電火花復(fu)合加(jia)工技術，先在相(xiang)應打孔位置上精確(que)地用激光去(qu)除陶瓷涂層，然后使用(yong)高(gao)速電火花(hua)技術進(jin)行精確打孔(kong)，可加工標準柱形孔(kong)以及圖8英(ying)國Winbro公司生產的激光-電火花(hua)復合打孔設備異(yi)型(xing)孔。此外(wai)，國外(wai)還開發了雙激(ji)光打孔新技術(shu)，即(ji)用強(qiang)激(ji)光加工涂層(ceng)，再用弱激光加工(gong)基體(ti)的(de)小(xiao)孔，確保加工(gong)質量。國內的(de)高校也開展了電解(jie)電火(huo)花復合打(da)孔加工(gong)技術研究，即先采用電(dian)火花打(da)孔再采用電(dian)解加工去除(chu)重熔層(ceng)作為精加工的新工藝。圖8 即為激光- 電(dian)火花復合打孔(kong)設備。
激光打孔、高速電火花打孔等加工方法，效率高、成本低，已為大多數發動機廠所采用，而先進的新型發動機(ji)對氣膜孔(kong)加工質量要求越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高，不允許存(cun)在重熔(rong)層，以免影響葉(xie)片的(de)使用性能。因此，重熔層去(qu)除(chu)技術也在傳統(tong)的磨粒流加工技術基(ji)礎上，得(de)到了(le)迅速發展和應用，出現了(le)化學研(yan)磨、電(dian)解質- 等(deng)離子加(jia)工等(deng)去除(chu)重(zhong)熔層(ceng)(ceng)的新技術，能(neng)夠有效去除(chu)激光打孔、電(dian)火花(hua)打孔產生的重(zhong)熔層(ceng)(ceng)，從(cong)而大(da)大(da)提高了渦輪葉片的加工質量和效率。
氣膜孔加工技術作為先進航空發動機制造關鍵技術而被廣泛應用，氣膜孔加工質量直接關系到發動機的使用(yong)安全，應引起重(zhong)視，同(tong)時也作為特種加工技術的重(zhong)要應用(yong)領(ling)域(yu)而得到迅速發展。