中国激光能量助力航空制造
——访国家“千人计划”专家，中国科学院宁波工业技术研究院研究员张文武

本刊记者 李 丹

：您于1992年获得中国科学技术大学精密机械专业学士学位，1995年获得原航天部一院十三所精密机械专业硕士学位，2002年获得美国哥伦比亚大学机械专业博士学位，2002～2012年任GE全球研发中心制造与材料技术部激光加工与测量系统实验室高级工程师。2012年加入中科院并创建“激光与智能能量场制造工程团队”。从您的经历和研究领域来看，国外领先于国内的技术、工艺、设备有哪些？

张文武:激光加工是先进制造的代表性技术，应用十分广泛。激光发明后，美、欧、中、日都给予了充分重视，最初是因为其潜在的武器威力，后期则是因为激光广泛的科研价值和工业价值。随着激光技术的进步，其引领先进制造的威力日益彰显。德国、美国等先进国家已经在高端激光器、光学系统、精密运动系统以及专用激光加工系统方面获得系统性的竞争优势，形成了以相干、IPG、TRUMPF、DMG等为代表的业内巨头。相对而言，作为制造大国和消费大国，中国在中低端激光应用方面，如打标、切割方面已经有了竞争优势，但在高端焊接、高端去除加工和高端表面处理方面与西方有较大差距。我国已经有一批有一定规模的激光企业，在光纤激光器等领域进展迅速，激光市场增长势头良好，年增长率领先全球。

设备方面，我国在五轴联动激光加工系统和冲击强化系统方面有待加强。由于五轴联动精密加工系统往往涉及国防军工，西方对我们实施禁运。发展国产化五轴联动精密运动系统，国产化光段激光器核心元器件势在必行。

：在发动机叶片LSP和发动机孔加工技术的研究中，最近有哪些新的突破？还有哪些关键问题没有得到解决？

张文武:在发动机叶片LSP领域，我国已经有数家单位将大光斑LSP技术应用于国产叶片处理。个人认为，LSP技术的发展可以分为3个类型。首先是20世纪80年代由美国发展起来的大光斑LSP技术，使用高脉冲能量激光器，脉冲能量一般在10J以上，重复频率一般在10Hz以内。这类激光器工作在晶体的极限状态，光斑有不均匀尖峰，长期稳定性、可靠性欠佳。此外，工艺上使用多次贴膜、侧面喷水的思路。这种思路存在很难控制的边沿效应、贴膜界面不可靠性、因光斑不均匀引起的奇异效应、工艺繁琐等问题。1999年前后，本人在哥伦比亚大学发明了微细尺度LSP技术，使用高重复频率毫焦级激光展示出亚毫米分辨率LSP效应，引发了微细尺度LSP研究方向，多个研究组使用0.5J以下的激光展示了LSP的各种效应。这样的激光系统光斑质量好、成本低，高分辨率使其能够处理更精细的结构，但工艺上仍然存在边沿效应和贴膜工艺繁琐等问题。本人2012年加入中科院后，领导团队开发出了新一代LSP技术，其特征是，同轴送水以避免水膜难控和溅射问题，使用移动式吸收层以免除贴膜的必要性。如此，新一代LSP技术将成为随动型表面处理技术，所用激光器为中小能量，稳定性和重复频率较高。使用这个技术，可以像焊接一样，只需对表面进行简单的预处理，无需贴膜就可以进行高重叠率的LSP了，处理速度提高10倍以上。我们已经获得国内发明专利，目前正在申请国际发明专利。这是本领域一个可喜的进步，欢迎大家来合作发展。我们的原型系统展示出了良好的表面强化效应，但是移动吸收层技术尚待进一步完善。

在发动机孔加工方面，美国早在1985年就在涡轮叶片上使用了复杂异型孔技术，使得气膜冷却效率从0.3跃升到0.5以上。我国则由于技术原因，迄今以直圆孔为主，辅助以简单三维孔。另外，国外已经突破了直接穿越TBC的孔加工技术，我国则主要采用电加工打孔技术，不得不采用先打金属基体孔，再涂敷TBC，再开孔的路子，导致叶片冷却效率的一致性和效率与国外的代差。此外，发动机叶片材料方面，美国GE公司已经在推动全CMC技术，我国这个领域处于跟踪状态，诸多问题有待解决。CMC配合冷却孔将进一步提高叶片的工作温度，这个领域我国需要大力关注，否则，国产发动机领域将出现与美国新的技术代差。本人在中科院的团队目前已经初步打通单步穿越TBC的复杂异型孔加工技术，建立了自主研发的“5+2”轴宏微结合激光加工系统，在CMC、合金等多类材料上展示出异型孔加工能力。此外，我们发展了水助激光加工技术，相对空气中激光加工，热影响大大缩小，使得包括单晶在内的叶片孔加工成为可能。目前存在的问题主要是孔加工的速度问题和背伤保护问题，我们正在全力攻关。

上述技术需要尽快商业化、工程化。我们在宁波市北仑区政府支持下，2015年成立了宁波大艾激光科技有限公司。该公司将提供商业化五轴联动激光孔加工系统、水助激光加工系统和激光冲击强化系统。

：复合材料在飞机上的用量和应用部位呈上升趋势，随之带来的加工问题日益突出，那么激光加工技术在复合材料去除中的应用对加工质量和加工效率有怎样的影响？未来的发展方向如何？

张文武:复合材料在航空工业中的应用越来越广泛，激光加工将因其加工材料的广泛适应性、加工的精密性而在复合材料的切边、制孔和修复中获得日益重要的应用，特别是对金属基和陶瓷基复合材料。由于材料的不均匀性、纤维的高韧性，用传统机械方法加工复合材料存在刀具磨损、层间撕裂、分辨率不足等缺陷。复合材料应用中有待解决的另一大问题是损伤后的修复问题。如果工艺窗口选择合理，激光去除加工可以用于精密去除各类复合材料。当然，激光加工复合材料必须注意热影响问题和各种异型材料的吸收问题，因而需要选用合适的波长。脉冲激光进行复合材料的3D去除修复等已经成为国内外积极探索的工艺。随着短脉冲激光功率的不断提升，高质量高速度的激光复合材料加工可望成为主流的工艺。

激光加工具备100μm以下的加工分辨率，对硬脆性材料的三维成型将发挥特殊作用。激光加工的热影响需要更好控制时，可以考虑超短脉冲激光器或使用水助激光加工技术。未来应该关注高功率短脉冲激光加工复合材料和大功率水助激光加工技术，主要目的是提高加工速度和加工深度，并控制热损伤。未来航空航天系统以及民用交通系统将涉及大量复合材料的应用，这是激光产业的一大机遇。