极端制造是指在极端条件下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统，集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造等方面，是我国科学和工程领域取得重大突破成果的关键。微射流激光先进加工技术具有精确可控、材料适用性强、工艺灵活多样等诸多优点，是能够解决传统加工技术所不能克服的问题而发展起来的一种特殊加工技术。 特种加工技术通过改变产品的加工方式以及设计和制造的观念，从而产生高质量和高可靠性的产品。目前特种加工作为高端装备制造不可或缺的关键技术，在航空、航天、航海、核电等国家重要战略领域，以及能源、医疗、高铁、汽车、 IT等国家重大民生领域，都发挥着非常重要的作用。

极限制造是人类探索宇宙、改造世界、造福人类不可或缺的一种方式，其主要特征为：超高能量密度、超小尺寸、超复杂巨系统、超高精度、几乎无缺陷等，涉及到机械、材料、光学、物理、化学、力学、数学等多个学科，具有前瞻性、先导性和探索性的基本理论和工程技术。极限制造工程是指在极端材料、极端工况和极端环境下，以系统和精益的方式获得极端性能和功能的制造方法、理论和体系。

GF领域特别要求有极强的处理能力，不管是什么材料（耐高温，硬脆，超韧，热敏感）；适用范围（超薄，超厚，超大，超细，超精细），适用范围（极寒，真空，外星，深海，高温）。以激光加工、电加工、超声加工、水射流加工等为代表的特殊加工技术，是为了解决传统加工技术所不能克服的问题而发展起来的一种特殊加工技术。

(资料图)

特种加工技术不但改变了某种产品的加工方式，而且还改变了产品设计和制造的观念，为高质量和高可靠性的产品创造了条件。所以，特种加工已经成为了许多高端装备制造不可或缺的关键技术，也是大国战略性核心竞争力的关键，在航空、航天、航海、核电等国家重大需求领域，以及在能源、医疗、高铁、汽车、 IT等国家重大民生领域，都有着非常重要的作用。

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激光加工具有三性

(1) 精确控制性 ：激光可以在时间、空间、幅度、频率等多个维度实现精确控制。

(2) 激光成本经济性 ：近十年来，单位激光的成本都在不断下降，从标记、切割到现在的焊接、微加工、增材制造，都是由激光主导的。

(3) 加工材料的通用性 ：激光能加工多样化材料，能穿透空气，甚至能穿透真空，因此，激光能够对超硬，超脆，超粘，超软以及复合材料等多种材料进行加工。

在此基础上，通过 微射流激光先进加工技术 来制作金刚石、石英、碳化硅等硬脆材料、高熔点、高硬度金属、小尺度、以及其他一些特殊领域的组合工艺。晟光硅研的研究成果将为我国未来高精度、低成本、高效率、高效率的高质量发展提供重要的理论和技术支撑。

航空发动机在工作中涡轮是承受热负荷和机械负荷最大的部件，其中涡轮叶片在运行过程中受到高温、高压气体的不断冲击，其工作条件尤其苛刻。涡轮叶片产生的气膜冷却将直接影响航空发动机的最高工作温度，从而关系到系统的可靠性、能效等一系列重要性能指标。所以在航空发动机中，实现对热端部件的先进气膜冷却孔的高质量加工，是提高其性能的重要环节。

图1. 热端部件先进气膜冷却孔低损伤加工是航空发动机性能提升的重大关键。要提升涡轮叶片长期可靠的工作温度，必须不断提高先进气膜的冷却效率

为进一步缩短中国与国外在航空发动机技术上的差距，迫切需要采用具有复杂外形的气膜冷却技术。目前，该类材料在制造复杂异形孔和先涂层后打孔的技术难题亟待解决。传统的电加工方法受限于电极，难以满足50微米以上复杂异形孔的加工精度要求，且其加工难以突破非导电的热障陶瓷层，而先打孔后涂层又会引起孔口收缩，二次扩孔会破坏孔周涂层。

图2. 气膜孔的技术发展历史简图。缩小中外发动机技术代差，复杂异型气膜冷却技术的应用势在必行

目前，我国有关机构（中国科学院西光所，北京航空材料研究所，清华大学等）已开始对Ni-Ti-Mn-Si-Zn-Ti等进行飞秒激光加工。比如，刘新灵等在2013年发现，飞秒激光对单晶高温合金的切削过程中，其表面仍然有3µ m以下的再铸层，且其表面有棱形切削痕，且某些孔壁上有明显的微裂缝。2017年，张学谦等人用飞秒激光对热障涂层进行了扫描，结果发现，随着时间的推移，孔洞的入口处会出现一层黑色的物质，而且随着时间的推移，这种物质会越来越多。这从某种意义上说明，目前飞秒激光加工技术还不能达到“冷加工”的要求，大直径、大直径、小直径、高精度、高精度的加工还会受到诸如热效应等因素的影响，且加工效率不高。

图3. 干式激光加工中飞秒激光加工质量相对而言最好，但仍无法完全实现理论上的“冷加工”

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微射流激光技术

晟光硅研拥是中国第一家完全实现商用化微射流激光先进技术设备的研发/制造企业，已通过数家国内典型客户、多个领域的验证并获得订单，全面进入批量应用前工艺匹配阶段。

微射流激光先进技术可以解决涡轮叶片气膜孔加工的难题，该技术是在已有的激光加工工艺基础上，通过水的冷却、冲刷等物理和化学作用，实现对材料表面的高精度、高质量的加工。微射流激光在加工的过程中，激光对材料进行照射，使其局部加热，温度快速上升，从而对材料进行升华，并通过射流所产生的冲刷力，将杂质全部带走。

尤其在航空复材及高温合金叶片精加领域，晟光硅研已为数家中国航空科研院所及企业完成相关技术的验证及设备交付，携手客户持续进行技术迭代和效率提升。

与常规激光工艺相比，微射流激光技术能够实现特定复杂形状的微结构加工，包括直接加工带涂层的涡轮叶片等优势。

图4.微射流激光技术工作原理图

采用常规的激光加工，易产生严重的烧蚀和加热等问题。而微射流激光先进技术加工过程中的热影响区得到了明显的减少，加工质量得到了极大的提升。其原因在于：一是微水射流的清洁效应（高速水射流能够及时排出加工产生的气泡、飞溅物和等离子体）；一种等离子体激波效应，即在水介质中产生的等离子体激波作用，在适当的条件下，可提高加工效率。实验反复证明，微射流激光先进技术的水冷作用（可移除积聚的热量，降低热损伤）效果明显，有望实现近零热影响的制孔。

图5. 微射流激光技术

通过对比传统激光和微射流激光技术的实验情况，可以清楚的了解微射流激光技术在加工质量方面展现的特定优势。

采用传统激光进行加工时，通常会产生孔边缘凸出、焦黑的烧蚀渣积聚、孔口不平整、锥形等现象；微射流激光技术加工后，孔壁边缘一般不会出现凸起，且进口锐利，出口圆角较好，在适当的激光能量下，可以较好的减少锥角。

为了提升涡轮发动机的整体性能和可靠性，需要在带热障涂层（TBC）的单晶高温合金涡轮叶片上制备大量的气膜冷却孔，微射流激光技术是实现先涂层后打孔的优势加工手段。实验表明该技术在光斑重叠率为98%，激光重复频率相对较低的情况下，能够有效地防止涂层剥落损伤，其主要原因在于对周围气泡的合理控制。

图7. 采用 微射流激光技术 扫描加工方法，通过正交试验和单因素试验研究了各因素对TBC损伤程度和TBC材料去除率的影响关系

传统技术难点 ：气膜冷却孔分布在叶片或燃烧室的 3D 曲面轮廓上，孔径一般在 0.25 ～ 1.25mm 之间，每片叶片有数十至数百个，燃烧室有数万个。气膜冷却孔的尺寸精度直接决定了冷却效果，孔壁质量对叶片的疲劳性能有直接影响，尤其是气膜孔加工过程形成的重铸层和微裂纹严重影响到叶片的疲劳性能，造成发动机安全隐患，因此气膜孔的加工品质直接决定了发动机的性能和使用寿命。电火花加工小孔是目前加工涡轮叶片气膜孔的主流技术之一，但加工效率不高，孔壁存在重铸层，而且无法加工不导电材料。一般来说，涡前温度每提高 100℃，推力就相应的增大10%-15%。例如“涡扇 -10”发动机的涡前温度为1747K，推力为12.5 吨；F119的涡前温度为 1977K，其推力为 17.7 吨。涡轮叶片作为航空发动机的核心部件之一，承担着将高温高压燃气流中的热能转化为动能为飞机提供动力的功能，通常需要在温度高达 1600-1800℃的工作环境下服役。

新技术要素 ：微射流激光先进技术相对于传统的工艺方法，优势在于加工过程不会形成微裂纹和氧 化层，重铸层也更薄。推力可以说是客户按需求设计的，目前技术可以制备＜ 100 μm 直径的，深度超过 20 mm 的孔，其制孔深径比超过 20:1。且加工小孔热影响极小，孔壁更光滑，工艺优化后甚至可以得到无重铸层小孔，系航空发动机叶片气膜孔是目前主要的发展方向，直接影响发动机推力大小。

市场规模：据相关报道，美国 GE 航空于 2012 年就已经开始将微射流激光先进技术用于航空发动机气膜孔打孔，目前已经将该技术应用于美国航空领域。中国市场规模以广阔的民用市场需求为例，按交付数量统计，预计到 2039 年，单通道喷气客机为 5937 架，占交付总量的 68.0%，双通道喷气客机1,868架，占总交付量的21.4%。二十年累计总价值为13249亿美元，约为人民币8.44万亿元人民币，平均每年 0.42 万亿元。假设民航发动机价值占比为 26%，二十年累计发动机采购价值为 2.19 万亿元，微射流激光先进技术将作为发动机推重比提升重要的技术之一，为中国航空发展助力。

来源:晟光硅研