脈沖電流輔助激光快速成形鎳基高溫合金的工藝研究.pdf

1、激光快速成形(Laser Rapid Prototyping, LRP)適用于航空航天領(lǐng)域高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大型整體金屬零件的快速制造要求。激光熔覆成形(Laser Cladding Forming, LCF)可快速制造出具有復(fù)雜外形的全密度金屬零件,是快速成形領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的金屬直接制造技術(shù)之一。然而,激光熔覆成形金屬時常出現(xiàn)孔隙、力學(xué)性能不足等缺陷,難以滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。而脈沖電流可有效減少常規(guī)凝固過程中的一些缺陷。為此,本文首

2、次提出將脈沖電流引入激光熔覆過程,對熔池施加電磁影響,以期獲得缺陷少、性能佳的激光熔覆成形件。本文以廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)材料的鎳基高溫合金為研究對象,主要完成了以下研究工作:
　　1、研究激光熔覆的理論基礎(chǔ),包括激光與材料的相互作用、液相熔覆的條件以及金屬粉末激光熔覆的過程。此外,還研究了脈沖電流凝固細(xì)晶原理,主要包括趨膚效應(yīng)、增加過冷度假說、磁致收縮效應(yīng)以及碎斷枝晶假說等,為后續(xù)的仿真及分析提供有效的理論支撐。
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3、、為了探索交變電流在矩形截面導(dǎo)體中的流動情況,利用有限元法在ANSYS環(huán)境中模擬了不同厚寬比、不同頻率下的電流分布。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),厚寬比大于1的情況下,電流分布更適合于脈沖電流輔助激光熔覆試驗(yàn)。此外,當(dāng)交變電流頻率增加時,基體表面的最大電流密度也隨之增加,這將有利于更好地將電流作用于激光熔覆的熔池。
　　3、搭建了脈沖電流輔助激光熔覆裝置,開展了脈沖電流輔助激光熔覆工藝試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上,還完成了脈沖電流輔助激光熔覆成形件

4、的制作,并制成拉伸樣件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試,與無電流輔助激光熔覆成形件進(jìn)行對比。
　　4、對脈沖電流輔助激光熔覆試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,主要著眼于三個方面:熔覆層孔隙、等軸晶分布及尺寸、晶界MC碳化物分布及尺寸。試驗(yàn)結(jié)果顯示:(1)孔隙的減少主要由于電磁力對熔池的壓縮作用;脈沖電流的均值和頻率的增加均有明顯的減少孔隙作用,而占空比則影響不大(2)脈沖電流的引入使得形核時過冷度增加,增加形核率,減小了晶粒尺寸;脈沖電流均值和頻率的增加以及占空