西安交通大學王文君教授團隊：渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護綜述丨JME論文推薦

引用論文

趙萬芹, 張濤, 孫濤, 梅雪松, 凡正杰, 崔健磊, 段文強, 王文君. 渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護綜述[J]. 機械工程學報, 2025, 61(17): 314-330.

ZHAO Wanqin, ZHANG Tao, SUN Tao, MEI Xuesong, FAN Zhengjie, CUI Jianlei, DUAN Wenqiang, WANG Wenjun. Overview of Ultrafast Laser Processing and Back Wall Protection for Turbine Blade Film Cooling Holes[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(17): 314-330.

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航空發動機的大推重比發展趨勢刺激了渦輪葉片氣膜冷卻孔的高質量加工需求，而超快激光一方面由于其近似“冷加工”的性質在無重鑄層、低孔壁粗糙度等微孔加工領域表現優異，另一方面兼具無材料選擇性、非接觸式、柔性加工等特點在微納加工領域應用廣泛，因此，氣膜冷卻孔的超快激光加工逐漸成為研究熱點。然而渦輪葉片作為典型的薄壁腔體類零件，激光穿透葉片照射到空腔內壁引發的燒蝕損傷問題始終難以解決，后壁防護技術隨之越來越受重視 。西安交通大學王文君教授團隊立足于氣膜冷卻孔的超快激光加工，首先歸納總結了超快激光微孔加工的燒蝕機理及仿真案例，點明仿真分析和實驗對照已經構成了激光加工的普遍研究方案；隨后從激光參數、掃描方式、加工步驟等三個方面對比分析了超快激光氣膜冷卻孔加工的工藝路線及具體加工效果；在此基礎上進一步總結了材料填充、工藝調控等后壁防護關鍵技術對高質量氣膜冷卻孔加工的重要作用，明確了填充材料的填充、取出、防護等性能需求，確定了工藝調控的可行策略及輔助作用，最后指出了超快激光制孔工藝研究的關鍵目標以及后壁防護技術的系統性、協同性發展趨勢，為氣膜冷卻孔的實際加工奠定基礎 。該團隊的研究成果以題為《渦輪葉片氣膜冷卻孔超快激光加工及后壁防護綜述》發表在《機械工程學報》2025年第17期。

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研究背景及目的

航空發動機被譽為現代工業“皇冠上的明珠”，其核心部件渦輪葉片長期在極端的高溫、高壓及高轉速環境下工作，為了提高葉片的耐熱能力，其表面需進行氣膜孔加工。然而，激光氣膜孔加工中，高能量密度的激光束在穿透葉片薄壁結構后，不可避免地會作用到葉片的后壁上，這就引出了一個至關重要且不容忽視的工藝難題——后壁防護。后壁防護的重要性，直接關系到發動機的可靠性、安全性與壽命。首先，不受控的激光能量會對后壁造成嚴重的燒蝕損傷，進而降低葉片后壁的結構強度，成為在高離心載荷下潛在的裂紋萌生源，嚴重時可能導致葉片疲勞斷裂，引發災難性事故。其次，受損的后壁表面粗糙度會增加，破壞了內部冷卻氣流的氣動性能，影響冷卻效率的均勻性和穩定性，甚至可能因局部熱斑而燒蝕葉片。再者，即使微小的后壁損傷，在長期高溫和應力循環下也極易擴展，大幅縮短葉片的服役壽命，增加維護成本和飛行安全隱患。因此，在航空發動機葉片氣膜孔的激光加工過程中，實施有效的后壁防護是一項保證核心部件完整性、確保發動機安全工作、提升產品合格率與服役可靠性的關鍵核心技術。

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結果

超快激光對高質量的氣膜冷卻孔加工具有獨特優勢，結合其燒蝕機制及渦輪葉片薄壁腔體的特點，氣膜冷卻孔的超快激光實際加工必然需要加工工藝和后壁防護技術有機結合。超快激光制孔工藝研究一方面可以通過單因素實驗、正交實驗等對激光加工參數進行組合優化，另一方面也能夠利用三維振鏡、旋轉光楔加工系統等對激光掃描方式進行調控，再輔以兩步、多步加工等策略基本能夠實現平板樣件上的氣膜冷卻孔高質量加工；而為將上述工藝應用于實體葉片，必須要展開有關后壁防護技術的研究，解決超快激光腔體加工引起的“背傷”問題。材料填充和工藝調控是后壁防護技術的兩大抓手，前者需要綜合考慮填充材料的填充、取出、防護等性能，是后壁防護的關鍵，后者則發揮耦合加工工藝及填充材料的輔助作用，盡可能提升填充材料的防護作用，然而后壁防護技術的研究依然存在不成體系、缺乏理論支撐的局限。

圖1 超快激光加工機理

圖2 超快激光微孔加工仿真分析

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結論

未來的氣膜冷卻孔超快激光加工既要探尋更加行之有效的適用于渦輪葉片加工的穩定工藝，又要協同地、系統地發展后壁防護技術，比如通過在材料填充、工藝調控的基礎上引入在線監測技術，對加工過程中產生的大量聲信號、光信號等進行采集分析，定性或定量地監測氣膜冷卻孔的加工進程，實時診斷孔的穿透狀態并判斷是否有背傷產生，進而對加工進程進行反饋控制，及時關停或削減激光能量，更加準確直觀地確保加工質量及后壁防護有效性。

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應用前景

在航空發動機葉片氣膜孔的激光加工過程中，實施有效的后壁防護是一項保證核心部件完整性、確保發動機安全工作、提升產品合格率與服役可靠性的關鍵核心技術。

作者及團隊介紹

王文君， 西安交通大學機械工程學院教授，博士生導師，入選國家級青年長江、王寬誠青年學者。從事激光精密制造及微納制造方面的科研與教學工作，主持承擔了“增材制造與激光制造”、“工程科學與綜合交叉”重點研發專項課題、國家自然科學基金等多項國家級科研項目，以第一/通訊作者身份發表SCI論文60余篇、獲國家授權發明專利60余項（第一發明人30余項）、出版專著1部、制定團體標準6項；相關成果獲陜西省技術發明獎一等獎1項、教育部科技進步獎一等獎1項、產學研合作創新成果一等獎1項、中國專利優秀獎1項、“紅光獎”激光行業創新貢獻獎1項等；2012年至今持續擔任《工程制圖》主講教師，獲西安交通大學教學成果獎特等獎2項 。

趙萬芹， 女，1983年10月生，工學博士，西安交通大學機械工程學院副研究員，碩士生導師，主要從事激光整形精密加工及其過程監測技術的研究。主持國家自然科學基金項目，作為任務負責人參與重點新材料研發及應用國家科技重大專項、國家兩機重大專項、國家重點研發計劃、裝備預研領域重點基金、省重點研發計劃等。在激光精密制造領域發表專業方向論文40余篇；作為副主編出版專著《脈沖激光加工技術》，編制激光加工微結構檢測相關標準；獲陜西省技術發明一等獎、“紅光獎”激光科技創新杰出貢獻獎、陜西高等學校科學技術研究優秀成果一等獎 。

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實驗室或者課題組特色

西安交通大學激光精密制造技術與裝備團隊，主要研究內容包括激光加工理論、激光微納制造、激光復合微加工、激光表面處理、精密制造中的在線監測-檢測-定位技術、光機電協同控制技術、高端智能制造技術與裝備等。部分研究內容如下圖：

作 者：趙萬芹

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 強

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