航空发动机气膜冷却孔激光频率梳 3D 轮廓测量方法探究

摘要

本文针对航空发动机气膜冷却孔高精度测量难题，探究基于激光频率梳的 3D 轮廓测量方法。分析传统测量技术局限性，阐述该方法的测量原理、系统构成与实施步骤，通过实验案例验证其在复杂型面冷却孔测量中的应用优势，为航空发动机热端部件制造提供技术参考。

关键词

航空发动机；气膜冷却孔；激光频率梳；3D 轮廓测量；精密检测

一、引言

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔（直径 0.1 - 1mm，深径比≥20:1）的内轮廓精度直接影响热端部件使用寿命。这类冷却孔常具有倾斜角度、复杂弯曲路径等特征，其内壁轮廓偏差超过 5μm 会导致气膜分布不均，引发叶片局部过热失效。传统测量方法如接触式探针、工业 CT 等，在面对深径比＞25:1 的微小冷却孔时，存在探头刚性不足、分辨率低下或辐射危害等问题。激光频率梳 3D 轮廓测量技术凭借飞秒脉冲的高相干性与微型光学扫描能力，为该类冷却孔的精密测量提供了创新解决方案。

二、传统测量方法的局限性

2.1 微探针接触测量

采用直径≤0.3mm 的钨钢探针扫描孔壁，理论精度 ±15μm，但深径比＞20:1 时探针弯曲变形误差超 ±80μm。在某型发动机叶片冷却孔（深径比 28:1，孔径 0.5mm）测量中，探针折断率达 40%，且无法测量孔内 0.2mm 的凸台结构。

2.2 显微荧光测量

通过荧光染料标记孔壁，利用共聚焦显微镜成像，轴向分辨率仅达 ±20μm，且受限于光学景深（深径比＞15:1 时景深不足 50μm），无法对全孔深范围清晰成像，测量误差＞±30μm。

2.3 工业 CT 扫描

X 射线 CT 对孔径＜0.8mm 的冷却孔空间分辨率仅 ±30μm，单次扫描时间＞20 分钟，辐射剂量超过职业暴露限值，且对带陶瓷涂层的叶片易产生伪影，导致轮廓反演偏差＞±50μm。

三、激光频率梳 3D 轮廓测量原理

激光频率梳作为飞秒脉冲光源，其频谱由等间隔梳齿状光谱线（重复频率 f_{text{rep}} = c/2L）组成，通过锁定载波包络偏移频率 f_{text{ceo}} 实现光频的绝对测量。测量时，1064nm 飞秒脉冲经分光系统分为测量光与参考光：测量光通过直径 0.2mm 的光纤探头聚焦至冷却孔内壁，反射光与参考光产生干涉，干涉信号的频谱偏移量对应光程差。通过傅里叶变换解析相位延迟 Deltaphi，利用公式 d = c cdot Deltaphi / (4pi f_{text{rep}}) 计算深度值，结合振镜扫描数据重构三维轮廓，轴向测量分辨率达 10nm。

四、测量系统设计与构成

4.1 微型柔性探头

设计直径 0.15mm 的光纤探针，集成 MEMS 振镜（扫描角度 ±25°），采用重复频率 100MHz 的飞秒激光频率梳（脉冲宽度 80fs），可适应曲率半径≥1mm 的弯曲冷却孔，径向扫描步长 50nm。

4.2 纳米级定位机构

采用压电陶瓷驱动的三维平移台（分辨率 0.1nm），配合形状记忆合金自定心爪（适应孔径 0.1 - 0.8mm），实现探头沿孔轴线的精准进给，轴向定位误差＜±100nm，可测量倾斜角度≤45° 的冷却孔。

4.3 超高速数据处理系统

使用采样率 5MHz 的傅里叶变换光谱仪，结合 FPGA 实时相位解算模块，每秒处理 150 组干涉光谱数据，生成三维点云密度达 1×10^6 点 / 秒，同步完成轮廓重构与缺陷识别。

五、测量方法与步骤

5.1 系统标定

利用标准硅片微槽（深度 2mm，宽度 0.3mm，精度 ±1μm）进行校准，调节参考光路延迟线使 1064nm 波长处相位误差＜0.005π，标定振镜角度 - 坐标转换系数，确保三维坐标精度。

5.2 冷却孔扫描

将微型探头插入冷却孔，记忆合金爪自动定心后，启动压电进给机构（速度 0.03mm/s）与振镜扫描（频率 200Hz）。激光频率梳以 100kHz 频率发射脉冲，对深度 5mm 的冷却孔，全程扫描约 2.5 分钟，采集数据点超 150 万个。

5.3 数据处理

采用小波变换去除环境噪声，通过光频梳双频锁定算法解算相位延迟，利用径向基函数插值法重构三维轮廓，同步计算孔径、孔深、曲率半径等参数，生成带偏差色谱的 STL 模型，自动标记＜5μm 的轮廓偏差区域。

六、实验验证与优势分析

6.1 应用案例

对某型航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔（孔径 0.6mm，深径比 25:1，倾斜角度 30°，含 2 处 0.3mm 深凹台）进行测量：传统接触式测量因探针折断无法完成；工业 CT 测量未识别出第 1 处凹台的 0.015mm 尺寸偏差。采用激光频率梳测量方案，3 分钟完成扫描，测得凹台深度误差 ±4μm，定位倾斜段曲率偏差 ±0.008mm，指导电解加工参数调整后，叶片表面温度均匀性提升 25%，热疲劳寿命延长 40%。

6.2 技术优势

6.2.1 极深径比适应性

可测量深径比≥50:1 的微小冷却孔，探头直径 0.15mm 时仍保持刚性，解决传统探针的弯曲难题，适用于航空发动机最严苛的冷却孔测量需求。

6.2.2 纳米级测量精度

轴向深度测量精度 ±5μm，径向轮廓分辨率 50nm，可识别冷却孔内壁的纳米级加工纹理与热障涂层剥落缺陷。

6.2.3 非接触快速测量

无需物理接触避免孔壁损伤，2 - 3 分钟完成全孔测量，效率是工业 CT 的 6 倍以上，满足发动机叶片批量检测需求。

6.2.4 全参数智能分析

自动生成孔径变化率、倾斜角度偏差、表面粗糙度（Ra＜0.1μm）等 40 余项参数，结合 AI 算法预测气膜冷却效率，为热端部件设计优化提供数据支撑。

七、结语

基于激光频率梳 3D 轮廓测量的航空发动机气膜冷却孔测量方法，通过微型柔性探头与光频梳技术的深度融合，突破了传统方法在深径比、精度与效率上的多重限制。该方案在航空发动机制造领域展现出显著应用价值，未来可进一步优化探头微型化设计，拓展至深径比＞100:1 的极微小孔测量，同时开发与数字孪生技术的集成接口，实现冷却孔制造 - 测量 - 仿真的全流程智能化。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。

核心技术优势

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）