(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201721865972.2
(22)申请日 2017.12.27
(73)专利权人 中国科学院西安光学精密机械研
究所
地址 710119 陕西省西安市高新区新型工
业园信息大道17号
(72)发明人 贺斌 赵卫 李朋 焦悦
(74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限
公司 61211
代理人 汪海艳
(51)Int.Cl.
B23K 26/382(2014.01)
B23K 26/03(2006.01)
B23K 26/064(2014.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
装置
(57)摘要
本实用新型属于飞秒激光加工技术领域，
特别涉及一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加
工装置。包括光束扫描系统、光束检测成像系统
及控制系统；光束扫描系统包括沿光路依次设置
的飞秒激光器、扫描系统及聚焦镜；光束检测成
像系统包括光谱仪及CCD；还包括位于光路中的
第一半透镜与第二半透镜；光谱仪位于第二半透
镜的反射光路中，CCD位于第一半透镜的反射光
路中；飞秒激光器、扫描系统光谱仪及CCD均与控
制系统连接，控制系统用于接收并分析光谱仪及
CCD的数据，根据分析数据调整飞秒激光器及扫
描系统的加工工艺参数。实现制孔过程中涂层及
过渡层的无损伤加工以及叶片腔体对面壁无损
伤加工。权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 207735791 U 2018.08.17
C N 207735791
U
1.一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置，其特征在于：包括光束扫描系统、光束检测成像系统及控制系统；
所述光束扫描系统包括沿光路依次设置的飞秒激光器(3)、扫描系统(5)及聚焦镜(9)；所述光束检测成像系统包括光谱仪(7)及CCD(2)；还包括位于光路中的第一半透镜(6)与第二半透镜(8)；光谱仪(7)位于第二半透镜(8)的反射光路中，CCD(2)位于第一半透镜
(6)的反射光路中；
所述飞秒激光器(3)、扫描系统(5)光谱仪(7)及CCD(2)均与控制系统连接，所述控制系统用于接收并分析光谱仪(7)及CCD(2)的数据，根据分析数据调整飞秒激光器(3)及扫描系统(5)的加工工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置，其特征在于：所述第一半透镜(6)与第二半透镜(8)位于扫描系统(5)与聚焦镜(9)之间的光路中。
3.根据权利要求2所述的一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置，其特征在于：所述控制系统为工控机(1)。
4.根据权利要求3所述的一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置，其特征在于：所述光谱仪(7)用于采集加工面的反射光线。
5.根据权利要求4所述的一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置，其特征在于：所述CCD(2)用于拍摄加工面成像。
权 利 要 求 书1/1页CN 207735791 U
一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置
技术领域
[0001]本实用新型属于飞秒激光加工技术领域，特别涉及一种采用飞秒激光实现带热障涂层叶片气膜孔加工装置。
背景技术
[0002]随着对飞机性能的要求越来越高，航空发动机的要求也是越来越高，目前发动机涡轮前温度已超过1900K，未来推重比12～15一级航空发动机涡轮进口温度可高达2100K～2300K，这将远远超过目前导向叶片高温合金材料的耐温水平，一般通过采用热障涂层技术及优质的气膜孔冷却技术来解决这一问题。由于热障涂层无法采用电加工方法，限制了电火花制孔技术、电液束流制孔技术的应用，并且如果采用先加工气膜孔再涂层的方法在涂层过程中存在气膜孔尺寸缩小、甚至堵孔等问题；
[0003]因为飞秒激光对涂层材料、单晶材料均可无缺陷加工且加工表面光洁度好，所以还可以利用飞秒激光加工热障涂层叶片气膜孔。然而在加工带涂层叶片气膜孔的过程中，加工涂层材料和叶片单晶基体材料的工艺有明显的区别，但叶片不同部位涂层的厚度有差异，所以飞秒激光加工过程中需要识别涂层是否加工完成来实现工艺的有机过渡；另外在飞秒激光加工叶片气膜孔时，为了防止对面壁损伤在叶片腔体内填充填充材料，填充材料和叶片单晶基体材料也有明显的区别。
[0004]因此，目前亟需一种针对带热障涂层叶片气膜孔的加工方法，能够在飞秒激光加工过程中避免内壁面损伤。
实用新型内容
[0005]本实用新型目的是提供一种采用飞秒激光实现带热障涂层叶片气膜孔直接加工装置，解决飞秒激光叶片气膜孔加工过程中产生的叶片腔体对面壁损伤问题，同时避免了先制孔再涂层带来的缩孔、堵孔等技术问题。
[0006]本实用新型的技术解决方案是提供一种带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤一、按照加工区域材料性质将叶片加工区域分为不同的加工段；
[0008]步骤二、设置不同加工段的飞秒激光加工工艺参数；
[0009]步骤三、加工过程中，光谱仪采集加工面的反射光线，通过分析加工面反射光线的光谱特性判断制孔所处的加工段，自动调用适应当前加工段的飞秒激光加工工艺参数。[0010]优选地，步骤三还包括利用CCD拍摄加工面成像的步骤，将成像结果与光谱特性结合，分析当前加工所在加工段，自动调用适应当前加工段的飞秒激光加工工艺参数。[0011]本实用新型在带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工过程中，采用同轴光谱检测和CCD成像的功能。将带涂层气膜孔加工过程自动分为三段：涂层及过渡层段，气膜孔未打穿前的单晶基体段，以及气膜孔打穿后的单晶基体残余段，根据分析光谱仪和CCD采集的数据和图像，分别自动在不同的阶段调用不同的制孔工艺，实现制孔过程中涂层及过渡层的无
损伤加工以及叶片腔体对面壁无损伤加工。
[0012]优选地，步骤一中将叶片加工区域分为涂层及过渡层段、气膜孔未打穿前的叶片基体段及气膜孔打穿后的叶片基体残余段三个加工段。
[0013]优选地，上述步骤三具体为：
[0014]首先调用涂层及过渡层段的飞秒激光加工工艺参数，加工涂层及过渡层段，当光谱仪捕捉不到涂层材料的光谱信号，且CCD拍摄加工面的图像为正圆形时，持续加工设定时间后，结束涂层及过渡层段的加工；
[0015]调用气膜孔未打穿前的叶片基体段的飞秒激光加工工艺参数，加工气膜孔未打穿前的叶片基体段，当光谱仪捕捉到叶片内的填充材料的光谱信号时，结束气膜孔未打穿前的叶片基体段加工；
[0016]调用气膜孔打穿后的叶片基体残余段的飞秒激光加工工艺参数，加工气膜孔打穿后的叶片基体残余段，当光谱仪捕捉到填充材料光谱信号稳定，且CCD拍摄加工面的图像为边界清晰的正圆形时，结束加工过程。
[0017]优选地，加工涂层及过渡层段时的飞秒激光加工工艺参数如下：飞秒激光脉宽为100-800，功率为1-5W，扫描重叠率为30-50％，扫描方式为同心圆扫描，Z轴进给量为0.01-0.1mm；
[0018]加工气膜孔未打穿前的叶片基体段时的飞秒激光加工工艺参数如下：飞秒激光脉宽为100-800，功
率为15-20W，扫描重叠率为60-80％，螺旋扫描，Z轴进给量为0.01-0.1mm；[0019]加工气膜孔打穿后的叶片基体残余段时的飞秒激光加工工艺参数如下：飞秒激光脉宽为100-800，功率降为4-6W，扫描重叠率为50-70％，扫描方式为同心环扫描，Z轴进给量为0.01-0.05mm。
[0020]优选地，加工气膜孔打穿后的叶片基体残余段时，同心环宽度为气膜孔半径的1/ 2-1/3。
[0021]本实用新型还提供一种实现上述的带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工方法的装置，包括光束扫描系统、光束检测成像系统及控制系统；
[0022]上述光束扫描系统包括沿光路依次设置的飞秒激光器、扫描系统及聚焦镜；[0023]上述光束检测成像系统包括光谱仪及CCD；还包括位于光路中的第一半透镜与第二半透镜；光谱仪位于第二半透镜的反射光路中，CCD位于第一半透镜的反射光路中；[0024]上述飞秒激光器、扫描系统光谱仪及CCD均与控制系统连接，上述控制系统用于接收并分析光谱仪及CCD的数据，根据分析数据调整飞秒激光器及扫描系统的加工工艺参数。[0025]优选地，上述第一半透镜与第二半透镜位于扫描系统与聚焦镜之间的光路中。[0026]优选地，上述控制系统为工控机，
[0027]优选地，上述光谱仪用于采集加工面的反射光线。
[0028]优选地，上述CCD用于拍摄加工面成像。
[0029]本实用新型的有益效果是：
[0030]1、本实用新型在带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工过程中，采用同轴光谱检测和CCD成像的方法，通过分析光谱仪和CCD采集的数据和图像，判断当前加工段，在不同的阶段调用不同的制孔工艺，保证热障涂层加工过程中涂层无明显损伤且单晶基体与涂层无开裂，同时保证气膜孔打穿瞬间能有效的控制工艺确保叶片腔体对面壁无损伤；
[0031]2、采用本实用新型的工艺方法及装置，可实现多段加工工艺的自主切换完成带热障涂层叶片气膜孔的加工，每段加工段具有相应的加工参数，保证制孔高效高质完成。
附图说明
[0032]图1为本实用新型带热障涂层叶片气膜孔飞秒激光加工装置结构示意图；[0033]图中附图标记为：1-工控机，2-CCD，3-飞秒激光器，4-光束，5-扫描系统，6-第一半透镜，7-光谱仪，8-第二半透镜，9-聚焦镜，10-热障涂层，11-过渡层，12-叶片基体，13-叶片腔体及内部防护材料，14-叶片气膜孔对面壁。
具体实施方式
[0034]以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的描述。
[0035]本实用新型涉及采用光谱仪和CCD实时监控，根据光谱仪和CCD反馈的实时数据，自适应分段实施飞秒激光气膜孔加工过程的工艺方法和装置，可实现热障涂层加工过程中涂层无明显损伤且单晶基体与涂层无开裂，以及确保叶片腔体对面壁无损伤的工艺方法及装置。
[0036]具体可通过下述方法实现：
[0037]首先按照加工区域材料性质将叶片加工区域分为不同的加工段；具体可以分为涂层及过渡层段，气膜孔未打穿前的叶片基体段以及气膜孔打穿后的叶片基体残余段；[0038]其次设置不同加工段的飞秒激光加工工艺参数；不同的加工段对应不同的工艺参数；
[0039]带热障涂层叶片的加工区域主要包括热障涂层10，过渡层11，叶片基体12，叶片腔体及内部防护材料13，以及叶片气膜孔对面壁14。叶片加工要求为加工过程中涂层无损伤，基体无重铸层、无微裂纹、无热影响区，且对面壁无损伤，同时能加快制孔效率。
[0040]基于各加工段的要求，采用如下的飞秒激光加工工艺参数：
[0041]在热障涂层及过渡层段段采用1-5W的小功率加工，通过对扫描速度、功率和频率的匹配，激光扫描重叠率控制在30-50％之间，扫描方式采用同心圆扫描；在气膜孔打穿前的叶片基体段重叠率提升至60-80％，功率为15-20W，扫描方式可采用从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式；在气
膜孔打穿后的叶片基体残余段重叠率降为至50-70％，功率降为4-6W，扫描方式采用同心环扫描方式，中间区域不再扫描。
[0042]最后，完成加工。在加工过程中，光谱仪采集加工面的反射光线，通过分析加工面反射光线的光谱特性，自动调用适应当前加工段的飞秒激光加工工艺参数。
[0043]气膜孔加工过程中的自适应分段是通过加工打孔过程中分析光谱信号和成像信号来完成的：光谱仪通过采集分析打孔过程中的反射光线从而确定制孔是在涂层段、叶片基体段还是已经穿透打到了填充材料上，这是由于涂层材料，基体材料以及填充材料性质不同，激光作用下发生的光谱特性不同，一旦加工到不同的材料，光谱特性迅速反应出来，所以根据光谱特性可以快速的提供三个阶段各自开始的时刻；CCD通过根据拍摄加工面的成像情况可以辅助分析打孔的阶段，由于CCD成像稳定，所以可以结合光谱分析结果对照提供三个阶段加工各自结束的时刻。
[0044]具体各加工段的开始及结束通过如下信号确定：
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