陶瓷基復合材料（CMC）正在航空發動機、高超飛行器上不斷擴大應用，但其高可靠和高精度的加工則成為一個挑戰。CMC高硬度和易損傷的特性，會導致加工速度緩慢、不斷更換刀具，以及對材料性能產生不良影響、無法滿足零件規格要求。激光技術是一種解決方案，可提高加工效率并終結刀具的重復性成本。然而，激光產生的熱量會消散到材料中，從而可能產生微裂紋和材料變性；激光在光束的焦點處切削，還會導致V形切口，影響公差的精確控制。瑞士西諾瓦公司開發的激光微射流技術為解決上述挑戰提供了最佳方案。2017年，美國通用電氣航空集團在位于美國北卡羅來納州阿什維爾的CMC發動機部件生產廠部署了激光微射流技術，加工LEAP發動機的CMC罩環上的孔。生產驗證過程表明，該技術即高效又有助于保持孔直徑的高精度，微射流可以在兩分鐘內完成鉆孔，而傳統加工要鉆一個小時。
一、激光水射流加工技術原理及其優勢
基于全內反射原理，激光微射流技術可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有較低密度介質的空氣－水界面處反射（原理上類似于光纖），沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播，而不會有能量穿過內壁；水則冷卻切削區，并從切口洗去碎屑。與傳統激光器相比，該技術不會讓材料燃燒或發生熱退化；產生更少的毛刺，可以使表面更光滑；能夠實現直邊切削和更高的精度。
激光脈沖持續時間以納秒為單位，對于每個激光脈沖，產生的等離子體會向上推水，從而實現有效的燒蝕。在脈沖結束時，等離子體坍塌，然后水清潔表面并消散熱量。水射流還消除了干式激光系統通常需要保持激光聚焦帶來的復雜性和工藝變化，這樣可以切割厚的或非平面的零件而不必擔心焦點問題。利用該技術制造出的一種圓柱形激光器，可以產生完全平行的壁，并具有緊致的切口寬度。
二、通用電氣航空集團CMC激光水射流加工工藝細節
1．CMC激光微射流系統及工藝
西諾瓦公司的CMC激光微射流（LCS）系統中，激光束通過加壓水艙并聚焦到噴嘴中。激光器是工業常見的固態釹摻雜釔鋁石榴石激光器，大約每秒脈沖10000次，功率為10至200瓦，波長為1064（紅外）、532或355納米。射流為過濾的去離子水，只有發絲細（直徑為50至70微米），在200至650巴的低壓下使用。
對于激光頭本身，光束必須以某個角度接近邊界以反射而不是穿過它，這是一個挑戰。水射流也必須高度穩定，邊界一致，以防止光束逸出。西諾瓦公司的一項國際專利表明它如何使用由氣體封閉的液體射流來防止形成湍流。由藍寶石或鉆石構成的噴嘴具有耐用性，特殊形狀可確保氣體和水適當發生相互作用。在低壓下投射的純水、去離子水和過濾水包裹著光束，以限制水流不利影響帶來的風險。這種水流非常類似于光纖電纜，確保加工是冷卻、清潔和準直的。
激光微射流系統噴嘴的直徑范圍為25至120微米，低壓水流量比這小15%。利用內部連續反射光束的能量，水流本質上成為一個完美的圓柱形葉片，在其軌跡中留下完美的直壁。在沒有引導水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源變窄到特定焦點然后再次向外展開。因此，必須嚴格控制切削深度和焦點位置，以避免切削中出現不必要的錐度，水的添加消除了這個問題。根據西諾瓦公司提供的數據，在水射流及其內部的激光開始分離之前，水射流可以投射到距離噴嘴直徑1000倍的距離（最大工作范圍為100毫米）。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重復性以微米為單位。
2．通用電氣航空集團CMC零件加工流程
通用電氣航空集團CMC零件加工線的每臺機床都使用一個帶真空卡盤的3R接口，以便盡可能地使生產接近單件流。3R接口涉及一個工件夾具系統，在加工線中可夾取多種不同的零件，實現快速安裝和最大的生產率。工件通過膠接固定到接口，由機器人夾取，一站站通過自動化加工線，包括微射流加工機床，每站不需要額外的安裝工作。加工線的最后一步是無損檢測，使用GE的計算機X射線斷層掃描（CT）機。每個零件都要檢測，掃描時間是15分鐘，完成時間是30分鐘，包括數據評價。
日本牧野機床公司（Makino）與西諾瓦公司聯合開發的激光微射流機床具備“工廠4.0”功能，激光功率計、定位傳感器和自動射流角度校正集成在激光微射流系統中。該系統實際上非常靈活，易于作為獨立系統集成到零件生產中，或作為全自動生產線的一部分，無需操作員實現大批量生產。工業互聯網也是機床具備的重要特征，從工廠中的每臺機床直到屋頂都鋪設有室內以太網電纜，連接到工廠的數據庫系統，稱之為“銀管網絡”。因此，加工指標和CT掃描等在每個CMC零件的數字線索中都記錄下來，并用于分析以幫助技術人員優化工藝，提速降本。
三、激光水射流加工技術應用前景廣泛
1．碳纖維復合材料加工
激光微射流技術可以基于非常恒定的1立方毫米／分鐘的消融率，快速切割1英寸厚的CMC層壓板。除了CMC，該技術還特別適用于碳纖維增強塑料（CFRP），可在2.6毫米厚的CFRP層壓板上生成直徑為3毫米的孔，速度高達1440毫米/分鐘。使用常規的激光器，因為熱量必須降低鉆削速，而常規的銑削雖可達到類似的速度，但由于需要更換刀具，因此運營成本更高。
西諾瓦公司于2018年推出了五軸CNC LCS 305系統，擅長高精度3D切削，非常適合小型CMC零件，但它不適合大型CFRP零件。為此，西諾瓦公司又將其激光微射流系統集成到龍門機床中，能夠加工大于2米×3米的零件。該系統還很容易與機器人集成，易于編程，從而擴大加工能力。對于2D切削，微射流軟件將CAD文件轉換為機床代碼，一旦驗證，操作員只需按下一個按鈕，機床就會執行切削程序。對于3D切削，后處理器將從CAD文件中提取必要的3D數據，并將其格式化用于微射流軟件。
2．金屬加工
沒有錐度、沒有熱影響區、無材料沉積這三個優點使激光水射流具有多功能性，可將幾乎任何材料切割成復雜的特征，這使得該工藝不僅可以替代干式激光切割，還可以替代許多其他工藝，甚至用于金屬加工。
西諾瓦公司的LCS系列機床可以精密加工小型金屬，LCS 300的最大工作范圍為300毫米×300毫米，而牧野機床與西諾瓦公司聯合開發的五軸MCS 500可達500毫米×400毫米，MCS系列補充了牧野機床自己的銑削和電火花加工（EDM）產品線。牧野機床正在營銷所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和牧野EDBV的電火花加工鉆孔機床，專門用于鉆削鑄造渦輪葉片中的冷卻孔和具有中空內部的導向葉片部件，可使用戶能夠鉆出一個具有最佳成果的完整葉片，包括非視距孔的鉆孔。
這些渦輪葉片和導流葉片通常涂有陶瓷隔熱層，以幫助抵御高溫。但是，這些涂層不導電，而電火花加工僅適用于導電材料。因此，制造商通常在涂覆涂層之前對孔進行電火花加工鉆孔。更麻煩的是，現在冷卻孔變得越來越復雜，設計者越來越多地采用具有錐形、方形或其他非圓形開口的擴散器孔，這些開口并不總是以外部擴散器形狀為中心。僅使用電火花加工，制造商通常選擇加工出大于規格的這些特征以適應涂層的厚度，其中一些特征可能需要在之后手動移除。具有在機床之間傳輸數據功能的自動化混合加工單元簡化了該過程。初始涂層滲透和擴散器形狀的加工可以通過激光水射流進行，同時將大部分孔留給電火花加工。
如果一個孔足夠淺，激光水射流完全能夠加工整個幾何形狀，并且它可能比電火花加工更快。然而，在一定深度，水流開始分解，電火花加工變得更快，并且是唯一選擇。EDBV機床也具有其他優點，例如它的發電機具有動態反饋電路，感知管式電極的位置并根據需要增加進給以使“空氣切削”最小化，特別是在高接合角度時。機床還可以感知電極何時在一秒或0.04英寸（約1毫米）深度內突破內腔以保持速度，同時防止可能會擾亂氣流的電火花回擊。牧野機床的專用彎曲導軌還有助于加工非視距渦輪發動機孔特征的功能。因此，兩種工藝在這些應用中都占有一席之地，并且由制造商決定哪種鉆孔最適合任何給定的工作。將兩者結合在一個單元中可以使兩個過程的工作負荷平衡，從而將質量和生產率提高到超出任何一個孤立系統的水平。
激光在航空制造中占有越來越重要的地位，激光水射流工藝進一步說明了這一點。激光水射流能夠提升陶瓷基復合材料和碳纖維復合材料的加工效率與成品質量。由于層壓纖維結構的存在，比起金屬切削或鉆孔中經常存在的毛刺，加工這些復合材料的熱影響往往可能會造成更加復雜的分層和缺陷。在碳纖維-鈦合金疊層鉆孔方面，軌道加工已經大面積應用，現在在CMC和CFRP鉆孔方面，激光水射流也登上了舞臺，相信隨著航空復合材料應用的繼續擴大，今后類似的創新工藝還將不斷涌現以顛覆現有的以面向金屬加工為主開發的傳統工藝。
來源：《航空動力》
