燃?xì)廨啓C(jī)葉片激光增材修復(fù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、K435鑄造鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫性能，廣泛應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片。葉片制備工藝復(fù)雜，使用環(huán)境苛刻，使其在鑄造過(guò)程、機(jī)械加工過(guò)程和使用過(guò)程中都可能出現(xiàn)缺陷使葉片報(bào)廢。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片高質(zhì)量修復(fù)一直是燃?xì)廨啓C(jī)和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)亟需解決的難題。激光增材技術(shù)屬于一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)精密復(fù)雜零部件結(jié)構(gòu)尺寸和力學(xué)性能的恢復(fù)，同時(shí)對(duì)母材影響較小。然而，目前對(duì)激光增材技術(shù)共性問(wèn)題的研究還有待加強(qiáng)，特別是激光、粉末和熔池這三者之

2、間相互作用過(guò)程的基礎(chǔ)研究，大多是從模擬和理論計(jì)算的角度展開(kāi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)獲得的研究成果相對(duì)較少。為進(jìn)一步發(fā)掘該技術(shù)的潛力，提高該技術(shù)的制備精度和成形質(zhì)量，對(duì)上述共性基礎(chǔ)問(wèn)題的研究具有重要的研究意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本文利用高速攝像，結(jié)合圖像處理的方法從不同角度分析了激光增材的全過(guò)程，其中包括：粉末束流空間濃度分布特點(diǎn)；激光和粉末相互作用過(guò)程；粉末和熔池相互作用過(guò)程等。通過(guò)對(duì)上述過(guò)程的綜合分析找到影響單道熔覆層表面粘粉的原因，結(jié)

3、合優(yōu)化后的工藝參數(shù)和力學(xué)性能測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)對(duì) K435合金葉片葉隼固定面缺失尺寸的高精度修復(fù)。
　　通過(guò)分析粉末束流灰度圖像與送粉率之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了用粉末束流圖像灰度分布表征粉末束流濃度分布的方法。分析發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)附近區(qū)域橫截面粉末束流濃度分布呈典型高斯分布特征。載氣流量和同軸保護(hù)氣對(duì)粉末束流焦點(diǎn)位置的影響規(guī)律相反：載氣流量臨界值為5L/min，該值范圍內(nèi)流量越大，焦距越短。大于臨界值時(shí)，焦距基本不變；而同軸保護(hù)氣流量越大焦距越

4、長(zhǎng)。載氣和同軸保護(hù)氣對(duì)粉末顆粒施加作用力方向和區(qū)域的不同是造成上述現(xiàn)象的根本原因。送粉速率對(duì)焦點(diǎn)位置影響不大，但該值越大，粉末的濃度分布梯度越大。
　　強(qiáng)烈激光輻照下產(chǎn)生的等離子體/金屬蒸汽帶來(lái)的反沖作用力會(huì)使粉末顆粒的飛行速度和軌跡發(fā)生很大變化。等離子體/金屬蒸汽在載氣作用下被吹到粉末顆粒飛行軌跡的正前方形成一個(gè)高亮的尾巴，稱之為“彗尾”?！板缥病钡闹赶?、長(zhǎng)度分別與粉末顆粒的飛行方向、加速度的變化規(guī)律高度一致。功率密度越大，光粉

5、作用時(shí)間越長(zhǎng)，上述現(xiàn)象就越明顯。粉末束流內(nèi)部受到激光輻照粉末顆粒的個(gè)數(shù)和面積受工藝參數(shù)的影響很大，尤其是氣體流量、離焦量、送粉率和粉末粒度分布等。
　　粉末顆粒落在液態(tài)熔池周圍的高溫半凝固區(qū)，且該位置的熱量不足以完全熔化粉末是形成粘粉現(xiàn)象的根本原因。通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和添加輔助氣流等措施，改變?nèi)鄢芈淙朦c(diǎn)位置處的粉斑直徑相對(duì)熔池的大小，或是粉末顆粒落入熔池的位置，均可有效地降低粘粉程度。
　　在多層沉積過(guò)程中，沉積方向抬升量ΔZ

6、等于單道熔覆層的高度 h是保證激光和粉末相對(duì)熔池作用位置不發(fā)生變化的充要條件。如果ΔZ>h，隨沉積高度增加，會(huì)使熔覆過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行；ΔZ　　K435合金激光增材修復(fù)后的界面結(jié)合強(qiáng)度高于母材。沉積層沿熔覆方向和沉積方向的抗拉強(qiáng)度分別為1530MPa和1350MPa，比母材（903MP