西安交通大学王文君教授团队：涡轮叶片气膜冷却孔超快激光加工及后壁防护综述丨JME论文推荐

引用论文

赵万芹, 张涛, 孙涛, 梅雪松, 凡正杰, 崔健磊, 段文强, 王文君. 涡轮叶片气膜冷却孔超快激光加工及后壁防护综述[J]. 机械工程学报, 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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航空发动机的大推重比发展趋势刺激了涡轮叶片气膜冷却孔的高质量加工需求，而超快激光一方面由于其近似“冷加工”的性质在无重铸层、低孔壁粗糙度等微孔加工领域表现优异，另一方面兼具无材料选择性、非接触式、柔性加工等特点在微纳加工领域应用广泛，因此，气膜冷却孔的超快激光加工逐渐成为研究热点。然而涡轮叶片作为典型的薄壁腔体类零件，激光穿透叶片照射到空腔内壁引发的烧蚀损伤问题始终难以解决，后壁防护技术随之越来越受重视 。西安交通大学王文君教授团队立足于气膜冷却孔的超快激光加工，首先归纳总结了超快激光微孔加工的烧蚀机理及仿真案例，点明仿真分析和实验对照已经构成了激光加工的普遍研究方案；随后从激光参数、扫描方式、加工步骤等三个方面对比分析了超快激光气膜冷却孔加工的工艺路线及具体加工效果；在此基础上进一步总结了材料填充、工艺调控等后壁防护关键技术对高质量气膜冷却孔加工的重要作用，明确了填充材料的填充、取出、防护等性能需求，确定了工艺调控的可行策略及辅助作用，最后指出了超快激光制孔工艺研究的关键目标以及后壁防护技术的系统性、协同性发展趋势，为气膜冷却孔的实际加工奠定基础 。该团队的研究成果以题为《涡轮叶片气膜冷却孔超快激光加工及后壁防护综述》发表在《机械工程学报》2025年第17期。

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研究背景及目的

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，其核心部件涡轮叶片长期在极端的高温、高压及高转速环境下工作，为了提高叶片的耐热能力，其表面需进行气膜孔加工。然而，激光气膜孔加工中，高能量密度的激光束在穿透叶片薄壁结构后，不可避免地会作用到叶片的后壁上，这就引出了一个至关重要且不容忽视的工艺难题——后壁防护。后壁防护的重要性，直接关系到发动机的可靠性、安全性与寿命。首先，不受控的激光能量会对后壁造成严重的烧蚀损伤，进而降低叶片后壁的结构强度，成为在高离心载荷下潜在的裂纹萌生源，严重时可能导致叶片疲劳断裂，引发灾难性事故。其次，受损的后壁表面粗糙度会增加，破坏了内部冷却气流的气动性能，影响冷却效率的均匀性和稳定性，甚至可能因局部热斑而烧蚀叶片。再者，即使微小的后壁损伤，在长期高温和应力循环下也极易扩展，大幅缩短叶片的服役寿命，增加维护成本和飞行安全隐患。因此，在航空发动机叶片气膜孔的激光加工过程中，实施有效的后壁防护是一项保证核心部件完整性、确保发动机安全工作、提升产品合格率与服役可靠性的关键核心技术。

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结果

超快激光对高质量的气膜冷却孔加工具有独特优势，结合其烧蚀机制及涡轮叶片薄壁腔体的特点，气膜冷却孔的超快激光实际加工必然需要加工工艺和后壁防护技术有机结合。超快激光制孔工艺研究一方面可以通过单因素实验、正交实验等对激光加工参数进行组合优化，另一方面也能够利用三维振镜、旋转光楔加工系统等对激光扫描方式进行调控，再辅以两步、多步加工等策略基本能够实现平板样件上的气膜冷却孔高质量加工；而为将上述工艺应用于实体叶片，必须要展开有关后壁防护技术的研究，解决超快激光腔体加工引起的“背伤”问题。材料填充和工艺调控是后壁防护技术的两大抓手，前者需要综合考虑填充材料的填充、取出、防护等性能，是后壁防护的关键，后者则发挥耦合加工工艺及填充材料的辅助作用，尽可能提升填充材料的防护作用，然而后壁防护技术的研究依然存在不成体系、缺乏理论支撑的局限。

图1 超快激光加工机理

图2 超快激光微孔加工仿真分析

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结论

未来的气膜冷却孔超快激光加工既要探寻更加行之有效的适用于涡轮叶片加工的稳定工艺，又要协同地、系统地发展后壁防护技术，比如通过在材料填充、工艺调控的基础上引入在线监测技术，对加工过程中产生的大量声信号、光信号等进行采集分析，定性或定量地监测气膜冷却孔的加工进程，实时诊断孔的穿透状态并判断是否有背伤产生，进而对加工进程进行反馈控制，及时关停或削减激光能量，更加准确直观地确保加工质量及后壁防护有效性。

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应用前景

在航空发动机叶片气膜孔的激光加工过程中，实施有效的后壁防护是一项保证核心部件完整性、确保发动机安全工作、提升产品合格率与服役可靠性的关键核心技术。

作者及团队介绍

王文君， 西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年长江、王宽诚青年学者。从事激光精密制造及微纳制造方面的科研与教学工作，主持承担了“增材制造与激光制造”、“工程科学与综合交叉”重点研发专项课题、国家自然科学基金等多项国家级科研项目，以第一/通讯作者身份发表SCI论文60余篇、获国家授权发明专利60余项（第一发明人30余项）、出版专著1部、制定团体标准6项；相关成果获陕西省技术发明奖一等奖1项、教育部科技进步奖一等奖1项、产学研合作创新成果一等奖1项、中国专利优秀奖1项、“红光奖”激光行业创新贡献奖1项等；2012年至今持续担任《工程制图》主讲教师，获西安交通大学教学成果奖特等奖2项 。

赵万芹， 女，1983年10月生，工学博士，西安交通大学机械工程学院副研究员，硕士生导师，主要从事激光整形精密加工及其过程监测技术的研究。主持国家自然科学基金项目，作为任务负责人参与重点新材料研发及应用国家科技重大专项、国家两机重大专项、国家重点研发计划、装备预研领域重点基金、省重点研发计划等。在激光精密制造领域发表专业方向论文40余篇；作为副主编出版专著《脉冲激光加工技术》，编制激光加工微结构检测相关标准；获陕西省技术发明一等奖、“红光奖”激光科技创新杰出贡献奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖 。

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实验室或者课题组特色

西安交通大学激光精密制造技术与装备团队，主要研究内容包括激光加工理论、激光微纳制造、激光复合微加工、激光表面处理、精密制造中的在线监测-检测-定位技术、光机电协同控制技术、高端智能制造技术与装备等。部分研究内容如下图：

作 者：赵万芹

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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