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Introduzione a questo articolo
La tecnologia laser ultraveloce è una tecnologia avanzata che genera impulsi luminosi ad alta-intensità in un tempo estremamente breve e le sue applicazioni nel campo aerospaziale attirano sempre più attenzione. Questa tecnologia è rinomata per le sue eccezionali prestazioni nella misurazione, nella produzione e nella comunicazione, e la sua diffusa applicazione nell'ingegneria aerospaziale offre nuove possibilità per migliorare le prestazioni e la sicurezza degli aeromobili.
I laser ultraveloci si riferiscono generalmente a laser con larghezze di impulso inferiori a 10^-12 secondi, inclusi principalmente laser a femtosecondi (1 fs=10^-15 s) e laser a picosecondi (1 ps=10^-12 s). Poiché gli impulsi laser ultraveloci agiscono per una durata estremamente breve, possono produrre istantaneamente una potenza di picco molto elevata. Pertanto, a differenza dei comuni metodi di lavorazione laser che agiscono sui materiali attraverso effetti fototermici, il meccanismo di lavorazione dei laser ultraveloci è l’assorbimento diretto dello stato elettronico, che trasferisce energia al reticolo del materiale, rompe i suoi legami e infine lo espelle come plasma. Inoltre, a differenza della lavorazione termica dei normali laser continui, la lavorazione laser ultraveloce si allinea maggiormente con un metodo di “lavorazione a freddo”. Dal punto di vista del meccanismo di interazione tra il laser e il materiale, la lavorazione laser a femtosecondi può raggiungere un'elevata precisione, zone termiche minime, nessuna fusione termica, nessuno strato di rifusione e nessuna microfessure. È uno dei metodi migliori per migliorare l'integrità superficiale della formazione dei fori di raffreddamento del film delle pale delle turbine nei motori aeronautici.
02 Applicazioni specifiche (1) Lavorazione di fori in film di gas su pale di turbine di motori aeronautici
Essendo un componente fondamentale di un motore aeronautico, il design, la qualità di produzione e le prestazioni operative delle pale della turbina influiscono sulla durata di servizio del motore. In genere, i rivestimenti con barriera termica vengono applicati sulla superficie delle leghe ad alta-temperatura per conferire alle lame elevata tenacità, elevata plasticità, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte-temperature. Inoltre, sulla superficie sono progettate strutture di fori nel film di gas. Rilasciando aria fredda dall'interno del componente e creando un flusso d'aria attraverso minuscoli fori, sulla superficie si forma una pellicola protettiva di aria fredda, che isola il gas caldo e protegge il componente. Tuttavia, gli attuali metodi di lavorazione, come la lavorazione con elettroerosione e la lavorazione laser a-impulsi lunghi, presentano degli inconvenienti, tra cui strati di barriera termica non-conduttivi, delaminazione del rivestimento, crepe e scheggiature del rivestimento, che rendono difficile la produzione di piccoli fori-ben formati.
Con lo sviluppo della tecnologia di lavorazione laser ultraveloce, i laser a femtosecondi sono stati ora utilizzati per creare fori di gas sulle pale delle turbine senza delaminazione del rivestimento o crepe e con dimensioni che soddisfano i requisiti tecnici. Ciò fornisce una nuova tecnologia per la produzione di fori nella pellicola di gas nei componenti dei motori aeronautici.
La lavorazione di numerosi fori di raffreddamento del film di gas sulle pale delle turbine rivestite con barriera termica- è fondamentale per l'applicazione di motori ad alte- prestazioni con rapporto spinta-/{2}}peso elevato, stabilendo così requisiti più elevati per la lavorazione di queste pale rivestite. La tecnologia di lavorazione dei micro-fori con laser a femtosecondi, con i suoi vantaggi di alta precisione, alta qualità e lavorazione a freddo, consente la lavorazione di micro-fori di alta-qualità per i motori. Grazie ai continui miglioramenti nella tecnologia di perforazione laser a femtosecondi, è ora possibile ottenere una lavorazione ad alta-precisione dei fori della pellicola di gas su lame rivestite-con barriera termica senza-strati rifusi, micro-fessure o zone interessate dal calore-, garantendo al tempo stesso che il rivestimento della barriera termica non diventi nero o si stacchi dopo la lavorazione. Pertanto, la tecnologia di elaborazione dei micro-fori con laser a femtosecondi è destinata a diventare un metodo importante per la produzione di fori in film di gas su pale di turbine rivestite con barriera termica-.
(2) Lavorazione dei fori di raffreddamento del film nella camera di combustione dei motori aeronautici
Il tubo di fiamma è un componente principale della camera di combustione del motore aeronautico e una delle parti più importanti-resistenti al calore. Per garantire che il tubo di fiamma funzioni in modo stabile e continuo in condizioni di temperature estremamente elevate-, deve essere raffreddato. Attualmente, un metodo comune prevede una combinazione di rivestimenti e perforazioni. L'utilizzo della lavorazione laser a-impulsi lunghi può causare difetti quali ablazione del rivestimento, spruzzi e scheggiatura dei bordi, che influiscono in modo significativo sulla durata di servizio del tubo di fiamma. Attualmente, utilizzando la lavorazione laser a picosecondi è possibile produrre fori di raffreddamento della pellicola senza delaminazione o sfaldamento di un'ampia-area sulla superficie e dimensioni che soddisfano i requisiti tecnici, come mostrato nelle Figure 2 e 3.
(3) Lavorazione di scanalature-di forma speciale nei motori aeronautici
Le prestazioni di tenuta hanno un impatto importante sulle prestazioni dei motori aeronautici. Negli ultimi anni, con lo sviluppo dell’industria aeronautica, le prestazioni dei motori sono migliorate costantemente e le condizioni operative sono diventate sempre più complesse. I guasti causati da malfunzionamenti delle guarnizioni del motore sono in aumento e questi problemi devono essere affrontati con urgenza. Pertanto, sono stati proposti nuovi requisiti per la tecnologia di tenuta del motore. Le guarnizioni a punta di dito sono un nuovo tipo di dispositivo che può essere utilizzato per sigillare la camera dei cuscinetti principali e i percorsi del flusso d'aria dei motori aeronautici. La lavorazione dei componenti delle tenute fingertip richiede un'elevata precisione. Le attuali lavorazioni meccaniche, lavorazioni con elettroerosione e lavorazioni laser-a impulsi lunghi non possono risolvere problemi quali deformazioni e deformazioni generate durante la lavorazione. Tuttavia, i laser a femtosecondi, grazie alla loro densità di energia estremamente elevata e ai tempi di lavorazione molto brevi, garantiscono elevata efficienza e precisione nel processo di lavorazione. Sui componenti delle guarnizioni a punta delle dita non compaiono difetti come strati rifusi, crepe o bave, il che fornisce un nuovo metodo per la lavorazione di scanalature dalla forma speciale-nelle parti di motori aeronautici ad alta-precisione.
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Conclusioni e prospettive
Essendo una tecnologia avanzata per la lavorazione e la fabbricazione dei materiali, la lavorazione laser ultraveloce ha ampie prospettive di applicazione nel campo della produzione di motori aerospaziali. Nell'applicazione ingegneristica della lavorazione laser ultraveloce, è necessario selezionare diversi parametri di processo laser in base alle caratteristiche del materiale per ridurre le fasi del processo, migliorare l'efficienza della lavorazione e garantire l'accuratezza della qualità e delle dimensioni della formatura del materiale. Con lo sviluppo della tecnologia laser ultraveloce e il miglioramento dell'ottimizzazione del processo, problemi come la bassa efficienza di lavorazione e lo spessore lavorabile limitato verranno risolti in modo efficace. Inoltre, la tecnologia di elaborazione laser a doppio-impulso, che combina l'elaborazione laser ultraveloce con l'elaborazione laser a-impulso lungo, sarà la direzione futura per migliorare la qualità e l'efficienza.
