哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着航空工业的迅速发展，气膜孔的高质量加工对涡轮叶片的冷却起到了至
关重要的作用。目前，针对涡轮叶片气膜孔的加工手段存在传统电加工工艺难以加
工导电性差的陶瓷涂层，常规激光加工热影响区较大以及超快激光加工效率不高
的问题。近年来，水导激光凭借其高加工质量、低热影响区等优良特性被学者们广
泛关注。因此，本文针对航空发动机涡轮叶片气膜孔高质量、高效率的制备需求，
提出水导激光加工技术这一创新型方案，为在带热障涂层高温合金材料上高质高
效的制备气膜孔提供重要技术手段。
首先，针对水导激光耦合传输机制与材料作用机理进行研究。通过建立纳秒激
光辐照水层的三维瞬态传热模型，探究了不同水层厚度和进口压力对脉冲激光作
用下高速迭代水层最高温度的影响规律，并对实现脉冲激光与微细射流高效耦合
时的最佳水层厚度和进口压力进行探讨。根据热力学定律和流体力学原理，建立水
导激光与带热障涂层高温合金能量耦合模型。探究了多层材料在脉冲激光作用下
的温度场分布以及不同激光能量下材料的蚀除效率和制孔形貌的变化规律，并进
行了制孔试验验证，证明了仿真模型的正确性。
其次，开展了带热障涂层高温合金材料制孔工艺基础研究。通过单因素试验，
分析单脉冲能量、重复频率、扫描速度和水束压力对制孔质量的影响规律。基于单
因素试验结果，优化各水平的参数值，进行制孔正交试验。通过正交实验，探究了
不同加工参数对孔加工尺寸、形貌精度的影响规律，并结合综合平衡法分析并获得
了一组较优的制孔工艺参数。最终经制孔试验证明，该参数可制备出具有高加工质
量的气膜孔。
最后，基于正交试验参数，分别针对不同孔径大小、不同倾斜角度以及异型气
膜孔进行制孔试验研究。探究了不同孔径尺寸对制孔圆度和制孔锥度的影响规律，
并对倾斜角度为45°和60°倾斜气膜孔的制孔工艺进行了探索。通过全因素试验，
分析扫描策略和扫描间距对倾斜气膜孔制孔质量的影响并优化参数，成功制备了
具有较高质量的倾斜气膜孔。在此基础上，探索了异型气膜孔的加工工艺，针对表
面为梯形的扩散型气膜孔进行制孔试验研究，分析了不同加工参数对表面制孔形
貌缺陷的影响规律，通过参数优化，获得了形貌尺寸和加工精度均符合要求的异型
气膜孔。
本文针对带热障涂层高温合金水导激光制孔技术展开研究，结合仿真与试验
对制孔工艺进行了深入的研究，实现了气膜孔高质量、高效率的加工需求，并探索
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哈尔滨工业大学硕士学位论文
了异型气膜孔加工工艺，为航空领域涂层叶片气膜孔加工技术提供了理论与技术
支撑。
关键词：水导激光；气膜孔；带热障涂层高温合金；异型气膜孔
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Abstract
Withtherapiddevelopmentoftheaviationindustry,thehigh-qualityprocessingof
filmcoolingholessignificantlycontributetothecoolingofturbineblades.Currently,
traditionalelectricaldischargemachiningmethodsfacedifficultiesinprocessingceramic
coatingswithpoorconductivity,conventionallaserprocessingtechniquesresultinlarge
heat-affectedzones,andultrafastlaserprocessingsuffersfromlowefficiency.Inrecent
years,water-guidedlasershavegarneredsignificantattentionfromresearchersd