GF領域尤其需要極端工藝能力，無論針對材料（耐高溫、硬脆、超韌、熱敏感）；使役（超薄、超厚、超大、超微、超精）和環境（極寒、真空、外星球、深海、高溫）要求等方面。以激光加工、電加工、超聲加工、水射流加工為代表的特種加工是為解決傳統加工技術無法克服的困難而產生的加工技術，經過不斷迭代和創新，已不斷拓展適用面和制造極限。

特種加工技術不僅只是改變了加工某一產品的方法，而是改變了產品設計、制造的理念，對生產出高質量、高可靠性的產品提供了條件。因此，特種加工已經成為眾多高端裝備制造必不可少的關鍵技術，是大國戰略性核心競爭力的關鍵所在，在航空、航天、航海、核電等國家重大需求領域，以及能源、醫療、高鐵、汽車、IT等國家重大民生領域均具有重要意義。

近年來，工業4.0、大數據、互聯網+等新趨勢風起云涌，推動人類的制造工程快速邁入大規模分布式、個性化、功能優先、高度智能的制造時代。隨著“能場制造”理念的主動應用和深入研究，眾多極端、復合、多能場融合制造技術獲得成功，使其逐漸從特例成為國內外系統研究、發展的前沿熱點方向。

因此，極端條件下的激光制造技術，包括金剛石、石英、碳化硅等硬脆材料零件的制造，高熔點、高硬度金屬材料零件的制造，微小結構尺寸零件的制造，以及其它更多特殊領域可以用“光”進行制造的復合技術。激光極端制造工藝技術與智能化技術的結合，將輻射到更廣泛的領域，服務各個產業，解決一系列棘手的工程問題。

例如，渦輪是航空發動機中熱負荷和機械負荷最大的部件，其中一級、二級渦輪葉片的工況尤為惡劣，工作中持續承受高溫高壓燃氣的沖擊。渦輪葉片的高效氣膜冷卻直接影響航空發動機和燃氣輪機的最高工作溫度，進而影響系統的可靠性、能量效率等一系列關鍵性能。因此，熱端部件先進氣膜冷卻孔的低損傷加工是航空發動機性能提升之重大關鍵。

為了持續縮小中外發動機技術領域的代差，復雜異型氣膜冷卻技術的應用勢在必行。當前該領域面臨的挑戰包括：復雜異型孔加工、單晶高溫合金/TBC多層復合結構材料（甚至全陶瓷基復合材料），以及先涂層后打孔的技術路線。電加工手段由于受電極局限，分辨率一般大于 100 μm，很難滿足復雜異型孔高于50μm加工分辨率的要求，同時，電加工很難獨立穿越非導電的熱障陶瓷層，而“先打孔，后涂層”會導致縮孔，二次擴孔會對孔周涂層造成損傷。

國內相關科研院所（中科院西光所、北京航空材料研究院、清華大學等）紛紛開展了飛秒激光加工鎳基高溫合金的研究工作。例如，2013年，劉新靈等人發現飛秒激光加工單晶高溫合金，仍存在著不大于3μm的重鑄層，孔壁上棱狀加工痕跡和部分孔壁上的微裂紋明顯；2017年，張學謙等人使用飛秒激光旋切掃描帶熱障涂層，發現孔的入口處附著黑色殘渣，加工次數增加后愈發嚴重。這在一定程度上表明，飛秒激光加工仍無法完全實現理論上的“冷加工”，大深徑比深小孔加工仍存在熱影響等影響，并且加工效率較低。

對此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所激光極端制造研究中心開展了多項極端激光制造技術，尤其是復合加工技術的研究工作，取得一系列成果。

相較于傳統激光加工技術，水助激光加工技術展現出一系列優勢：通過形成穩定的同軸層流射流，使得激光加工對焦點位置不甚敏感；通過掃描振鏡，實現激光束對特定形狀的高速掃描。因此，水助激光加工能夠實現特定復雜形狀的微結構加工，包括直接加工帶熱障涂層的葉片和燃燒室。

圖4. 水射流輔助激光加工技術工作原理

傳統激光干式加工方法可能造成燒蝕現象嚴重，引發熱影響問題。水射流輔助激光加工能夠有效降低熱影響區，大幅提高加工質量。主要原因在以下幾方面：水射流的沖擊作用（高速水射流便于排出氣泡、飛濺物、等離子體）；等離子體沖擊波效應（在水層約束下，等離子體誘導反沖壓力，合適工況下可以提升加工效率）。但與此同時，需要控制等離子體的屏蔽效應（等離子體對入射激光能量的屏蔽）；氣泡空蝕效應（空化氣泡潰滅時，形成高溫高速液體射流）。試驗一再表明，該工藝的水冷卻效應（帶走熱量累積，減小熱損傷）是顯著的，使用納秒激光，就有望實現接近零熱影響的孔加工。

通過干式激光和水助激光加工的試驗對比情況，可以從一定程度上了解水助激光在加工質量方面展現的特定優勢。圖6（左和右）是分別采用納秒激光進行的干式激光和水助激光針對孔加工的效果對比圖。試驗使用的材料為K4002鎳基高溫合金，它具有良好的高溫性能和組織穩定性，是目前等軸晶鑄造鎳基高溫合金中中溫和高溫性能最高的合金之一。干式激光的加工一般會出現孔邊突起，黑色燒蝕殘渣堆積，孔出口圓度差，錐度較大（圖6左）；水助激光加工則孔邊普遍無突起，入口尖銳，出口圓度好，當激光能量合適時，錐度可以更好地消減。但水助激光激光孔周容易存在微坑等表面損傷，另外，單純的水助激光加工對大深度孔加工的能力和效率亟待提升（圖6右）。

圖6. 干式納秒激光（左圖）和水助納秒激光（右圖）加工孔的對比圖

為了提升渦輪發動機的整體性能和可靠性，需要在帶熱障涂層（TBC）的單晶高溫合金渦輪葉片上制備大量的氣膜冷卻孔，激光加工是實現"先涂層后打孔"的優勢加工手段。采用水助激光掃描加工方法，該團隊通過正交試驗和單因素試驗研究了各因素對TBC損傷程度和TBC材料去除率的影響關系，試驗結果表明：對涂層剝落損傷的影響程度由大到小依次為光斑重疊率、激光重復頻率、激光電流和水泵電壓，當光斑重疊率為98%、激光重復頻率相對低頻時，可以穩定地避免TBC水助激光加工很容易出現的涂層剝落損傷。初步分析，這里的主要原因是周邊氣泡的合理控制。

對TBC材料去除率的影響程度由大到小依次為激光電流、激光重復頻率、水泵電壓和光斑重疊率。當優選激光器重復頻率為15 kHz、光斑重疊率為80%左右時時，TBC材料去除效率最高。

總體上，新一代水助激光加工技術較好地解決了高能量激光可靠耦合的問題，擴展了耦合功率范圍，將水助激光的加工能力進一步提升，同時較好解決了電加工和飛秒激光加工在單晶金屬孔加工方面的熱影響問題。

該團隊將液核光纖技術引入STEM工藝中。當中心的激光功率足夠強時，可以直接用激光快速去除中心材料，而激光深度方向去除材料的速度一般遠遠高于電解加工。如此，如果能夠將液核光纖普通使用的純凈水換為合適的電解質，則可以既在中心使用激光加工，又可以用管電極同步進行電解加工，消除激光加工的熱影響。更關鍵的是，電解加工可以很好地消除常規激光加工很難避免的大深度加工深度問題。因而，適當的組合下，Laser-STEM工藝可以實現介入式的激光孔加工。反過來，激光加工的熱效應、力效應又可以進一步提升電解加工的效率。

目前，Laser-STEM工藝已經實現無錐度、無熱影響、無工具磨損、突破加工深度極限的孔加工，可對鈦合金、高強鋼等難加工材料進行高速、超深孔加工。該工藝是智能能量場制造的典型案例。相對傳統的管電極電解加工（STEM），Laser-STEM工具電級進給速率已經達到4-6mm/min，遠遠大于目前STEM工藝的國際水平（2-3mm/min），加工精度提高67%，材料加工厚度達到100mm以上，深徑比超過100:1。

當Laser-STEM工藝的諸多參數，如電解質的電流信號，電極的進給位置等，可以被用于加工質量和加工深度的反饋 ，為相對獨立工藝獲得更高的質量特性，打破現有工藝紀錄，提升背傷防護的智能化提供了新的自由度。

激光加工由于高功率激光器的性價比持續提升，正在導致傳統制造不得不直面的工藝競爭，尤其是大厚度切割、高端焊接、便攜式焊接等等。本文所報道的工藝創新，通過引進更多的能量場（激光+流場+電解），增加了工藝控制與優化的自由度，為激光極端制造工藝能力的進一步突破奠定了重要基礎。