我國掌握飛秒激光鑽孔技術，已破解發動機葉片製造難題

長久以來，我國發動機製造技術始終是制約航空航天事業發展的瓶頸，產品的質量不過關來自兩方面：一是材料技術；二是材料加工技術。在前面的文章里，筆者提到目前我國已將金屬錸運用到發動機葉片製造里，具備了加工出高耐熱性、低蠕變性的葉片材料基礎。而今天要介紹的這一技術則可以破解材料製造難題，這就是飛秒激光鑽孔技術。

我國掌握該消息來源是著名的數據加工中心一則新聞透露的，該新聞稱我國的數控激光切割成套設備已經進入了高速量產期，而這一設備恰好是實現飛秒激光鑽孔和發動機葉片加工的主要手段。所謂飛秒激光鑽孔，即使用頻率非常高的激光對材料進行鑽孔，飛秒是時間單位，1飛秒等於一千萬億分之一秒，相對於傳統激光加工設備，飛秒激光由於脈衝時間極短，被加工物體不會被加熱，特別適合加工30微米以下的高精度小孔。

飛秒激光作用於金屬和非金屬加工時原理完全不同，金屬表面存在大量的自由電子，當激光照射金屬表面時，自由電子會瞬間被加熱，數十飛秒內讓電子電子發生碰撞，自由電子將能量傳道給晶格，形成開孔。但由於自由電子碰撞的能量要比離子小的多，所以傳導能量需要較長時間，但目前該難題已被我國科學家攻克。

在飛秒激光作用於非金屬材料時，由於材料表面自由電子較少，激光照射時先要使得材料表面電離，進而產生自由電子，剩下的環節與金屬材料一致。飛秒激光加工微孔時，在初級階段先形成一個小坑，隨著脈衝數量的增多，坑深度不斷增加，但隨著深度的增加，坑底的碎屑飛出的難度也越來越大，導致激光向底部傳播的能量越來越少，最終達到深度不可增加的飽和狀態，即打完一個微孔。

而在航空航天領域，燃氣渦輪是發動機的三大關鍵部件之首，其性能直接決定了發動機的好壞。然而航空發動機的渦輪葉片工作溫度至少為1400攝氏度，因此必須對高溫部件，尤其是葉片必須使用精確的冷卻技術。

葉片冷卻一般通過大量不同直徑的氣膜孔來實現，孔徑約為100~700微米，且空間分布複雜，多為斜孔，角度為15°到90°不等，為了提高冷卻效率，開孔形狀往往成扇形或者矩形，這給加工帶來極大的難度。目前主流的方法是高速電火花，但工具電極製造極為困難，加工好的部件易磨損，加工速度慢，排除孔內的加工屑比較困難，不易散熱，根本不適合大批量生產。

此外，現代發動機葉片表面通常要覆蓋一層熱障塗層、一般是陶瓷材料，採用傳統電火花無法加工，是未來先進發動機製造的關鍵技術。隨著未來發動機葉片材料

逐漸走向非金屬化，電火花加工更不靠譜，而飛秒激光加工具有材料適應廣、定位精度高、無機械變形、無直接接觸等各種優點，非常適合加工微型孔。

飛秒激光鑽孔技術還可被運用於核聚變上，核聚變中的點火靶球具有充氣微孔，只有微孔的數量多、精度高才能保證聚變反應的控制精度，而飛秒激光加工技術恰好能滿足這一要求。近年來飛秒激光鑽孔技術還被運用到透明材料內部的三維微孔加工中，這種製造技術將有利於製造飛機、坦克、艦艇上使用的光電感測器設備。加工方法一般是通過液體輔助，在透明材料表面直接燒蝕成孔，讓液體將碎屑清除，這樣的方法可以達到更高的鑽孔深度。

雖然飛秒激光鑽孔技術擁有如此神奇的魔力，但其開發難度也是非常大的，特別是進行系統集成化、技術工程化的努力遭遇了各種困難，輸出功率也有限制。此外，如何能形成一套完整的微孔加工工業也是世界性難題，但通過我國科學家的努力，不但實現了該系統的實用化和集成化，還發明出了螺旋加工工藝，可以私人訂製不同形狀的微孔，可以說是達到了國際領先的地步。

方向在前方，路在腳下，我們的祖國就是這一代代腳踏實地的科研人一步步的的努力由弱到強，從與美國相比望塵莫及到望其項背，再到齊頭並進，他們是最值得尊敬的人！

全文完，謝謝閱讀。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！