長(zhǎng)久以來，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)始終是制約航空航天事業(yè)發(fā)展的瓶頸，產(chǎn)品的質(zhì)量不過關(guān)來自兩方面：一是材料技術(shù)；二是材料加工技術(shù)。鑒于此，今天要介紹的這一技術(shù)可以破解材料制造難題，這就是飛秒激光鉆孔技術(shù)。
據(jù)了解，我國(guó)的數(shù)控激光切割成套設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了高速量產(chǎn)期，而這一設(shè)備恰好是實(shí)現(xiàn)飛秒激光鉆孔和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的主要手段。所謂飛秒激光鉆孔，即使用頻率非常高的激光對(duì)材料進(jìn)行鉆孔，飛秒是時(shí)間單位，1飛秒等于一千萬億分之一秒，相對(duì)于傳統(tǒng)激光加工設(shè)備，飛秒激光由于脈沖時(shí)間極短，被加工物體不會(huì)被加熱，特別適合加工30微米以下的高精度小孔。
飛秒激光作用于金屬和非金屬加工時(shí)原理完全不同，金屬表面存在大量的自由電子，當(dāng)激光照射金屬表面時(shí)，自由電子會(huì)瞬間被加熱，數(shù)十飛秒內(nèi)讓電子電子發(fā)生碰撞，自由電子將能量傳道給晶格，形成開孔。但由于自由電子碰撞的能量要比離子小的多，所以傳導(dǎo)能量需要較長(zhǎng)時(shí)間，但目前該難題已被我國(guó)科學(xué)家攻克。
在飛秒激光作用于非金屬材料時(shí)，由于材料表面自由電子較少，激光照射時(shí)先要使得材料表面電離，進(jìn)而產(chǎn)生自由電子，剩下的環(huán)節(jié)與金屬材料一致。飛秒激光加工微孔時(shí)，在初級(jí)階段先形成一個(gè)小坑，隨著脈沖數(shù)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(dǎo)致激光向底部傳播的能量越來越少，最終達(dá)到深度不可增加的飽和狀態(tài)，即打完一個(gè)微孔。
而在航空航天領(lǐng)域，燃?xì)鉁u輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的三大關(guān)鍵部件之首，其性能直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞。然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片工作溫度至少為1400攝氏度，因此必須對(duì)高溫部件，尤其是葉片必須使用精確的冷卻技術(shù)。
葉片冷卻一般通過大量不同直徑的氣膜孔來實(shí)現(xiàn)，孔徑約為100~700微米，且空間分布復(fù)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，但工具電極制造極為困難，加工好的部件易磨損，加工速度慢，排除孔內(nèi)的加工屑比較困難，不易散熱，根本不適合大批量生產(chǎn)。
此外，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面通常要覆蓋一層熱障涂層、一般是陶瓷材料，采用傳統(tǒng)電火花無法加工，是未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著未來發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)廣、定位精度高、無機(jī)械變形、無直接接觸等各種優(yōu)點(diǎn)，非常適合加工微型孔。
飛秒激光鉆孔技術(shù)還可被運(yùn)用于核聚變上，核聚變中的點(diǎn)火靶球具有充氣微孔，只有微孔的數(shù)量多、精度高才能保證聚變反應(yīng)的控制精度，而飛秒激光加工技術(shù)恰好能滿足這一要求。近年來飛秒激光鉆孔技術(shù)還被運(yùn)用到透明材料內(nèi)部的三維微孔加工中，這種制造技術(shù)將有利于制造飛機(jī)、坦克、艦艇上使用的光電傳感器設(shè)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(dá)到更高的鉆孔深度。
雖然飛秒激光鉆孔技術(shù)擁有如此神奇的魔力，但其開發(fā)難度也是非常大的，特別是進(jìn)行系統(tǒng)集成化、技術(shù)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(yè)也是世界性難題，但通過我國(guó)科學(xué)家的努力，不但實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用化和集成化，還發(fā)明出了螺旋加工工藝，可以私人訂制不同形狀的微孔，可以說是達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的地步。
