渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷最大的部件，渦輪葉片的工作環(huán)境尤為惡劣，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，它承受著燃燒后的高溫高壓燃?xì)鉀_擊，其制造技術(shù)也被列為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)性能很大程度上取決于渦輪進(jìn)口溫度的高低，它受渦輪葉片材料的限制。對(duì)這些部件進(jìn)行連續(xù)不斷的冷卻，可以允許它們的工作環(huán)境溫度超過(guò)材料的熔點(diǎn)，這樣仍能安全可靠的工作，氣膜冷卻技術(shù)是具有代表性的重要結(jié)構(gòu)改進(jìn)之一，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí)也對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了更高的要求。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，氣膜孔加工新技術(shù)也不斷出現(xiàn)，在傳統(tǒng)的激光打孔（Laser）、電火花高速打孔（EDM）、電化學(xué)打孔（ECM）等加工方法的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了激光電火花復(fù)合打孔、電解電火花復(fù)合打孔等新工藝，去除重熔層技術(shù)在磨粒流的基礎(chǔ)上，又發(fā)展用了化學(xué)研磨技術(shù)、電解質(zhì)- 等離子加工等新技術(shù)，為提高渦輪葉片氣膜孔加工量、技術(shù)水平和生產(chǎn)效率做出了重要貢獻(xiàn)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，渦輪前溫度平均每年升高25K，其中約15K是依靠冷卻技術(shù)的進(jìn)步取得的。在過(guò)去的三、四十年中，渦輪進(jìn)口溫度提高了大約450K。其中70%是由于渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片的高效冷卻設(shè)計(jì)取得的，而另外30% 應(yīng)歸于高溫合金和鑄造加工工藝的改進(jìn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的渦輪葉片冷卻技術(shù)，其發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。
提高渦輪進(jìn)口溫度是增大和提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力與推重比的重要手段。在材料耐溫能力有限的前提下，渦輪葉片冷卻技術(shù)成為了提高渦輪進(jìn)口溫度、保證渦輪在高溫環(huán)境下可靠工作的可行且高效的途徑。為此，世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商研究和開(kāi)發(fā)了大量的渦輪葉片冷卻技術(shù)，成功地驗(yàn)證和應(yīng)用了沖擊、對(duì)流、氣膜、復(fù)合冷卻、鑄冷和超冷等葉片技術(shù)，并且在提高渦輪進(jìn)口溫度（進(jìn)而提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能）方面取得了很好的效果。圖2為渦輪葉片及其內(nèi)部冷卻通道的形式圖。
氣膜冷卻技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在渦輪葉片前緣、葉身型面等部位設(shè)計(jì)了大量的氣膜孔，孔徑一般在0.2~0.8mm，空間角度復(fù)雜。因而，氣膜孔的加工技術(shù)成為渦輪葉片制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
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，各種方法均有各自的特點(diǎn)。激光打孔效率高，但重熔層較厚；電火花打孔重熔層相對(duì)較薄；而電液束打孔無(wú)重熔層，質(zhì)量好，但效率較低。
1激光打孔
激光打孔成形的工藝方法分為定點(diǎn)沖擊打孔和旋切打孔：
(1)定點(diǎn)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?？椎奶卣鳛槔瓤冢F度，不圓度，不直度，粗糙度Ra=6.3μm?？妆谝苯鹳|(zhì)量為有0.15mm的重熔層。
(2)旋切打孔：激光束旋轉(zhuǎn)，工件旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為孔壁冶金質(zhì)量好，孔形規(guī)矩，孔徑不受限制。其缺點(diǎn)為孔深受限。
激光打孔的優(yōu)點(diǎn)是不論材料的種類(lèi)和硬度都可進(jìn)行，所以應(yīng)用范圍較廣，但因其精度較差，重復(fù)精度也較低，所以用量、規(guī)模都不是很大。但對(duì)一些特殊零件，采用激光打孔卻取得了很大效益，如渦輪葉片氣膜孔加工采用YAG激光旋切，僅在孔壁局部范圍尚存在重熔層，最大厚度小于0.05mm，個(gè)別孔存在微裂紋，但不進(jìn)入基體。
另外激光打孔對(duì)高硬度、非導(dǎo)體材料的微小孔、孔數(shù)量很大的零件進(jìn)行加工也很有優(yōu)勢(shì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散器隔熱屏等結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時(shí)保持高電流密度連續(xù)正常放電。電極旋轉(zhuǎn)可使端面損耗均勻，不致受高壓、高速工作液的反作用力而偏斜。在氣膜冷卻孔主要打孔工藝方法中，電火花打孔工藝應(yīng)用的時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)也最為成熟。電火花打孔工藝最突出的特點(diǎn)是，其重熔層厚度僅有激光打孔重熔層厚度的一半，可控制在0.02mm以下， 能夠滿(mǎn)足所有發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冶金質(zhì)量要求。對(duì)于某些位于葉身型面的氣膜冷卻孔，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)允許有少量重熔層存在，且均使用高速電火花打孔機(jī)床，重熔層厚度一般控制在0.04mm以?xún)?nèi)。
近年來(lái)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些公司開(kāi)始裝備多軸、多通道數(shù)控電火花專(zhuān)用打孔機(jī)，其加工效率與激光打孔工藝已有可比性，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件正越來(lái)越多地采用電火花打孔加工工藝，這已成為近年來(lái)的新趨勢(shì)。圖3為多軸數(shù)控高速電火花小孔機(jī)加工葉片氣膜孔示意圖。電火花打孔工藝主要適用于以下4個(gè)方面：對(duì)重熔層厚度有嚴(yán)格要求的零部件；非圓異形孔的加工；加工路線不開(kāi)敞、無(wú)法用激光方法加工的氣膜冷卻孔；材料用電化學(xué)打孔工藝無(wú)法加工的零部件。
電火花打孔工藝在國(guó)內(nèi)很早就應(yīng)用于航空零件加工，國(guó)內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠都擁有大量各型電火花機(jī)床。在80年代中期，發(fā)動(dòng)機(jī)廠將電火花打孔工藝用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片氣膜冷卻孔的加工，加工設(shè)備為國(guó)產(chǎn)精密電火花機(jī)，直徑0.5mm的孔加工時(shí)間約20s，該工藝作為渦噴系列發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工藝，一直在發(fā)動(dòng)機(jī)工廠使用，加工葉片質(zhì)量穩(wěn)定。
隨著國(guó)內(nèi)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件已廣泛采用氣膜冷卻技術(shù)。如何有效地減少渦輪重要部件氣膜冷卻孔的重熔層厚度對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量有重大意義。近兩年針對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要，發(fā)動(dòng)機(jī)廠對(duì)渦輪工作葉片氣膜冷卻孔的電火花打孔工藝進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)研究，采用正交試驗(yàn)法，找出了影響重熔層厚度的工藝參數(shù)，并確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。為了驗(yàn)證最優(yōu)工藝參數(shù)組合的合理性，再選取一組較好參數(shù)與正交試驗(yàn)優(yōu)選的最優(yōu)水平組合進(jìn)行比較驗(yàn)證，將每一個(gè)試片上的10~12個(gè)氣膜孔進(jìn)行重熔層厚度檢查，并對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行比較，由重熔層平均厚度值分析可得φ0.3、φ0.5孔的理想?yún)?shù)組合，同時(shí)也是正交試驗(yàn)優(yōu)選的兩組最優(yōu)水平組合，該結(jié)論驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的理論結(jié)果。
3電化學(xué)打孔
電化學(xué)打孔也稱(chēng)為電解打孔，根據(jù)加工用的電極不同，有以下兩種方法：一種是CD（ECF）毛細(xì)管加工，采用玻璃管內(nèi)的金屬絲電極，也就是我們所說(shuō)的電液束打孔，加工孔直徑在表1葉片氣膜孔加工工藝參數(shù)參考值φ0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm ；另一種是型管電極加工，采用中空的外壁涂有絕緣涂層的金屬管作為電極，加工孔直徑在φ0.5mm~φ7mm，最大加工孔深600mm。兩種加工方式分別如圖5、圖6所示。
對(duì)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(qū)域的冷卻孔間距和孔徑過(guò)小；孔外緣距外壁的間距過(guò)小；此處的孔的深徑比較大等。另外，如重熔層存在則有可能導(dǎo)致穿壁透孔等問(wèn)題產(chǎn)生。
目前國(guó)內(nèi)研究所已研制了電液束打孔工藝及設(shè)備，并在發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片氣膜孔加工上應(yīng)用，該工藝方法加工的氣膜孔不存在重熔層、微裂紋、熱影響區(qū)，進(jìn)出口可自然形成一定的圓角，孔壁光滑。電液束打孔金相圖如圖7所示。但電液束打孔加工速度一般在1.8~2.5mm/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電火花高速打孔速度（50mm/min）。其特點(diǎn)是：可用于表面精加工；孔徑φ0.25mm~φ5.0mm ；表面粗糙度Ra取決于材料和工藝；由于流動(dòng)問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生平滑的表面波紋；金相無(wú)熱影響區(qū)域；無(wú)殘余表面應(yīng)力；無(wú)裂化現(xiàn)象；如果出現(xiàn)碳化物，可能出現(xiàn)晶粒間腐蝕；不溶金屬會(huì)導(dǎo)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(shù)控工作臺(tái)上安裝零件不需要制作復(fù)雜的工裝，氣膜冷卻孔的尺寸可以任意調(diào)節(jié)，是最適宜作為新機(jī)研制時(shí)打孔的工藝方法。電火花打孔成本低，加工質(zhì)量比激光加工重熔層薄。而電液束加工質(zhì)量最好，但效率相對(duì)較低，成本較高。
隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，新的氣膜孔加工工藝被不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。對(duì)于帶有陶瓷涂層葉片的氣膜孔加工，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)目前采用的工藝為：先加工氣膜冷卻孔，然后涂覆陶瓷層，最后用微型鉆頭在相應(yīng)孔位處去除陶瓷涂層，其工序復(fù)雜、效率低、質(zhì)量不易控制。國(guó)外加工工藝為在葉片上先涂覆陶瓷涂層，然后采用激光電火花復(fù)合加工技術(shù)，先在相應(yīng)打孔位置上精確地用激光去除陶瓷涂層，然后使用高速電火花技術(shù)進(jìn)行精確打孔，可加工標(biāo)準(zhǔn)柱形孔以及圖8英國(guó)Winbro公司生產(chǎn)的激光-電火花復(fù)合打孔設(shè)備異型孔。此外，國(guó)外還開(kāi)發(fā)了雙激光打孔新技術(shù)，即用強(qiáng)激光加工涂層，再用弱激光加工基體的小孔，確保加工質(zhì)量。國(guó)內(nèi)的高校也開(kāi)展了電解電火花復(fù)合打孔加工技術(shù)研究，即先采用電火花打孔再采用電解加工去除重熔層作為精加工的新工藝。圖8 即為激光- 電火花復(fù)合打孔設(shè)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(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠所采用，而先進(jìn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣膜孔加工質(zhì)量要求越來(lái)越高，不允許存在重熔層，以免影響葉片的使用性能。因此，重熔層去除技術(shù)也在傳統(tǒng)的磨粒流加工技術(shù)基礎(chǔ)上，得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了化學(xué)研磨、電解質(zhì)- 等離子加工等去除重熔層的新技術(shù)，能夠有效去除激光打孔、電火花打孔產(chǎn)生的重熔層，從而大大提高了渦輪葉片的加工質(zhì)量和效率。
氣膜孔加工技術(shù)作為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)而被廣泛應(yīng)用，氣膜孔加工質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全，應(yīng)引起重視，同時(shí)也作為特種加工技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域而得到迅速發(fā)展。