Перфорация деталей ГТД

УДК 629.7.036:621.373

Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, Б. И. Шапар, Н. П. Кришталь ПЕРФОРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД

В данной статье рассматривается возможность изготовления на Украине лазерного оборудования для перфорации элементов газотурбинных двигателей, в том числе лопаток турбины. Определен ряд факторов, влияющих на качество, точность полученных отверстий, формирование поверхностного слоя, а также воспроизводимость результатов. Выполнен подбор оборудования как отечественного производства, так и импортного, отвечающего заданным требованиям.

В современных высокотемпературных газотурбинных двигателях (ГТД) все более широкое применение находят охлаждаемые перфорированием детали и узлы.

Лазерные методы получения отверстий находят все более широкое применение и значительно расширяют арсенал существующих средств получения отверстий в элементах (ГТД), обеспечивая при этом высокую производительность, точность и качество обработки.

Целью данной работы является подготовка исходных данных для разработки и изготовления на Украине оборудования для перфорации лопаток турбин и других элементов ГТД, которое не уступало бы по технологическим возможностям импортному и имело бы более низкую стоимость.

Технико-экономические показатели лазерных методов пробивки отверстий определяются, в основном, динамикой излучения, причем неосуществим режим, который одинаково хорошо удовлет -ворял бы требованиям высокой производительности, низких затрат и высокого качества.

Основными процессами, протекающими при образовании отверстий в металлах световым потоком, являются плавление и испарение. Выходные параметры серийно выпускаемых лазеров не обеспечивают получения качественных отверстий: образование большого объема жидкой фазi и ее не полное удаление - является неблагоприятным фактором и приводит к значительной глубине зоны структурных изменений и появлению трещин у поверхности. Высокая производительность и низкие энергозатраты лучше всего обеспечиваются при использовании импульсно-периодических лазеров в режиме свободной генерации (длительность импульса ти ~ 0,1......4,0 мс, энергия Е ~ 100......101 Дж).

Такие лазеры могут обеспечить скорость до 1 мм/имп при диаметре отверстия до 0,5 мм, так, например, в настоящее время применяются на установках серии «Квант». Однако, как говорилось ранее, качественные показатели таких отверстий невысоки: нецилиндричность отверстий, на входной

грани происходит образование валика из оплавленного металла, шероховатость выступов и впадин Яа 3,2.. .50 мкм. Основной причиной тому служит чрезмерное оплавление в зоне воздействия (доля жидкой фазы в продуктах разрушения составляет

30......80 %) и неуправляемое перемещение расплава

по стенкам и дну лунки.

Следует выделить многоимпульсную лазерную обработку как одну из наиболее перспективных для отверстий диаметром 0,01......1,0 мм в металлических и керамических заготовках. Суть данного метода состоит в том, что отверстие пробивается серией коротких импульсов, каждый из которых уда -ляет лишь тонкий слой металла. Длительность импульса и частота следования подбираются таким образом, чтобы объем жидкой фазы был минимальным, при этом глубина отверстия увеличивается в результате послойного испарения материала каждым импульсом [9]. Окончательная глубина отверстия определяется суммарной энергией серии импульсов, а его минимальный диаметр - усредненными параметрами отдельного импульса, размерами светового пятна в зоне обработки и формы каустики. Так как толщина снимаемого с каждым импульсом слоя может быть достаточно мала, в данном случае процессы истечения и перераспределения жидкой фазы влияют в меньшей степени на форму отверстий и позволяют достичь меньшей шероховатости, чем в случае получения отверстий одним импульсом. Попытки реализации этой идеи с помощью импульс-

но-периодических лазеров (ти ~ 0,1......1,0 мс) при

уменьшении энергии импульса не привели к существенному увеличению качества [4]. Широкие возможности открываются лишь благодаря созданию высоконадежных немеханических методов модуляции излучения и появления лазеров, работающих в частотном режиме (частота следования импульсов ~ 0,1......50 кГц).

Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на качество и точность полученных отверстий:

1. Профиль каустики пучка и расположение относительно нее поверхности заготовки. При

© Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, Б. И. Шапар, Н. П. Кришталь, 2008 - 80 -

сходящемся световом пучке характерным является конический профиль отверстия, а при расходящем -ся - цилиндрический. Неравномерность распределения излучения по сечению светового пятна и во времени в течение импульса, а также теплопроводность материала и протекание гидродинамических процессов также приводят к искажению профиля отверстия. В частности, образуется воронка на входе и плавный переход от дна к стенкам [9].

2. Энергетические параметры импульса. Доля жидкой фазы находится в прямой зависимости от длительности импульса. Одновременно чрезмерная длительность импульса за счет увеличения толщины прогретого слоя приводит к значительным изменениям структуры и свойств материала в зоне, непосредственно прилегающей к отверстию (рис. 1) [7, 8].

Рассмотрим более подробно факторы, влияющие на качество и точность полученных отверстий:

Еще один важный параметр - энергия накачки активного элемента лазера. Так как увеличение энергии накачки приводит к последовательному возбуждению генерации мод все более высоких порядков, то обработка на более низком уровне энергии накачки характеризуется меньшей угловой расходимостью излучения, и, следовательно, меньшими диаметрами отверстий.

3. Интенсивность лазерного излучения. Оказывает влияние на рассеивание доли тепла за счет теплопроводности, идущей большей частью на плавление материала. Эта величина претерпевает значи-

тельные изменения на протяжении импульса генерации. Поэтому еще одним фактором является временная структура лазерного импульса.

4. Временная структура лазерного импульса. Интенсивность лазерного излучения на поверхности заготовки зависит от условий фокусировки излучения и его распределения по сечению пучка. К искажению формы отверстия приводит случайное распределение интенсивности, характерное для многомодового режима генерации твердотельных лазеров. Если же распределение излучения по сечению осесимметрично, но неравномерно и спадает от центра к краю пучка, то возможно образование входного конуса [5].

Для точной обработки также важна крутизна переднего и заднего фронтов импульса. От крутизны переднего фронта зависит время нагревания материала до температуры испарения; чем положе фронт импульса, тем больше диаметр конуса на входе отверстия. Чем короче длительность заднего фронта лазерного импульса, тем меньше вероятность зап-лавления отверстия вследствие образования и перераспределения минимального количества жидкой фазы. Получить импульсы излучения с заданными характеристиками можно путем применения соответствующих формирующих линий в блоке питания или с помощью модуляторов излучения.

Следует отметить группы факторов, влияющие на воспроизводимость результатов обработки, что особенно важно при пробивке систем одинаковых отверстий:

1. Нестабильность параметров излучения (энер-

%

о I-1-1-1-1-1-

-2 -1 0 1 2 3 4 5

Рис. 1. Зависимость относительного размера области термического влияния (г/г0) в радиальном направлении от безразмерной

длительности воздействия излучения (а|?/г02):

г0 - эффективный радиус пучка в зоне воздействия; а - коэффициент температуропроводности

1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 81 -

гия и длительность импульса, расходимость, диаграмма направленности и др.).

2. Неточности установки и перемещения детали (влияние этих факторов на практике может быть сведено к минимуму).

3. Неоднородность свойств и структуры обрабатываемого материала; так, наличие в материале примесей в виде неоднородностей, может облегчать вскипание жидкой фазы при относительно небольших перегревах.

Физический процесс лазерной пробивки отверстий сложен и до сих пор нет теоретической модели, описывающей его полностью. Как правило, расчеты касаются одной стороны явления. Предположим, что удаление нагретого металла происходит только путем испарения.

Если иметь ввиду высокую точность и качество обработки, то наиболее важными требованиями являются сведение к минимуму количества расплавленного вещества и удаление за один импульс достаточно тонкого слоя. Проведенные расчеты показали, что пучок лазерного излучения должен обеспечивать интенсивность не менее 1,5-{108 Вт/см2, длительность воздействия не более 400 нс и крутизну фронта не менее 1,3-{1016 Вт/см2{с.

Для получения отверстий с минимальной шероховатостью предлагается использовать принцип мно-

200 мкм

I-)

Рис. 2. Входная и тыльная сторона отверстий, пробитых в режиме модуляции добротности при смещении оси вращения заготовки

гократного сканирования по кругу сфокусированного осесимметричного пучка лазерного излучения (рис. 2).

Для реализации перемещения луча на поверхности детали анализировались механические, акусто-и электрооптические дефлекторы. Так, например, оптико-механические дефлекторы, в основу которых положен принцип зеркального отражения оптического пучка от перемещающихся в пространстве зеркальных поверхностей, их недостатком является то, что они не обеспечивают нормального падения лазерного пучка на обрабатываемую поверхность в процессе кругового сканирования. Посредством оптико-механических дефлекторов, где в качестве преломляющих элементов используются подвижные оптические призмы, клинья и линзы, сложно обеспечить одновременное нормальное падение луча и регулировку диаметра развертки. В акусто- и электрооптических дефлекторах изменения показателя преломления в акустооптической среде (плавленый кварц, германий) добиваются под действием деформаций, а в электрооптической среде -посредством изменения напряженности электрического поля; конструкция с использованием этих элементов является сложной и имеет недостатки, свойственные вы-шерассмотренным преломляющим дефлекторам. Более совершенной в данном случае является конструкция, в которой для кругового перемещения предлагается вращать смещенную фокусирующую линзу или плоскопараллельную пластинку. Эта схема наиболее проста в реализации и обеспечивает одно из основных требований - параллельное смещение луча относительно оптической оси, что позволяет обеспечить нормальное падение луча на деталь для получения цилиндрической развертки.

На основании анализа можно сделать следующие выводы:

- для получения отверстий выбран многоимпульсный метод, как дающий наиболее качественную поверхность отверстия;

- пучок лазерного излучения должен обеспечивать интенсивность не менее 1,5{-108 Вт/см2, длительность воздействия не более 400 нс и крутизну фронта не менее 1,3-{1016 Вт/см2 {с;

- для реализации кругового перемещения предлагается вращать смещенную фокусирующую линзу или плоскопараллельную пластинку;

- на сегодняшний день имеется возможность подобрать оборудование российского производства, которое будет удовлетворять данным условиям, а также иметь низкую стоимость в сравнении с импортными аналогами.

Производством подобных технологических комплексов занимается целый ряд западных фирм. Так, например, в81 ЬишошсБ (США) предлагает лазер-

ный комплекс ЬаБегШпе 790, имеющий пять программно управляемых координат: линейные перемещения по осям X, У, 2 (точность позиционирования не ниже 0,02 мм) и две вращательные по осям С и Б (точность позиционирования не ниже ±15 сек). Лазер оснащен твердотельным излучателем мощностью 400 Вт. Стоимость такого комплекса составляет свыше 600 тыс. у.е.

Данную схему возможно реализовать также при помощи импульсного твердотельного лазера ТЬр 1200 (совместное производство НИИ «Полюс», г. Москва, и Центра физического приборостроения Института общей физики РАН, г. Москва), полностью удовлетворяющего вышеприведенным требованиям. Ориентрировочная стоимость комплекса на

базе данного лазера будет составлять 140......160

тыс. у. е.

Перечень ссылок

1. Лазерные технологии и опыт их внедрения. Научно-практический сборник. - М.: Научно-технический информационно-учебный центр ЛАС, 2004. - 62 с.

2. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. - М.: Машиностроение. 1985. - 496 с.

3. Коваленко В.С. Изучение поверхностного слоя микроотверстий, обработанных фотонным лучом ОКГ. - Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1970. - вып. 5 (17). -С. 18-22.

4. Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная обработка материалов, М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

5. Либенсон Н. М. и др., Методы повышения точности лазерной размерной обработки / ЛДНТП, 1972. - 36 с.

6. Веденов В. А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.

7. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. - 296 с.

8. Карслоу Г., Егер Д., Теплопроводность твердых тел. М.: Наука 1964. - 488 с.

9. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И., Технологические процессы лазерной обработки: Учебное пособие для вузов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 664 с.

У данш cmammi розглядаеться можливгсть виготовлення на УкрШнтхт^во^ужМ-10-2007 кування для перфорацИ елементiв газотурбiнних двигутв, у тому чи^ лопаток турбти. Визначено ряд факторiв, що впливають на яюсть, точнiсть отриманих отворiв, форму-вання поверхневого шару, а також вiдтворюванiсть результатiв. Виконано пiдбiр устат-кування, як вiтчизняного виробництва, так i iмпортного, що вiдповiдае заданим вимогам.

This article considers the possibility ofmanufacturing in Ukraine laser equipment for punching elements of gas-turbine engine including turbine blades. Determined are the factors, which influence on quality and accuracy of obtained holes, forming surface layer and reproducibility of the results. The selection of domestic and import equipment that ensure the preset requirements was made.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 83 -