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燃气轮机叶片激光增材修复基础研究

杨义成  
【摘要】:K435铸造镍基高温合金具有优异的高温性能,广泛应用在燃气轮机的涡轮叶片和导向叶片。叶片制备工艺复杂,使用环境苛刻,使其在铸造过程、机械加工过程和使用过程中都可能出现缺陷使叶片报废。因此,如何实现对叶片高质量修复一直是燃气轮机和航空航天发动机亟需解决的难题。激光增材技术属于一项先进制造技术,可实现对精密复杂零部件结构尺寸和力学性能的恢复,同时对母材影响较小。然而,目前对激光增材技术共性问题的研究还有待加强,特别是激光、粉末和熔池这三者之间相互作用过程的基础研究,大多是从模拟和理论计算的角度展开,通过实验直接观测获得的研究成果相对较少。为进一步发掘该技术的潜力,提高该技术的制备精度和成形质量,对上述共性基础问题的研究具有重要的研究意义和经济价值。本文利用高速摄像,结合图像处理的方法从不同角度分析了激光增材的全过程,其中包括:粉末束流空间浓度分布特点;激光和粉末相互作用过程;粉末和熔池相互作用过程等。通过对上述过程的综合分析找到影响单道熔覆层表面粘粉的原因,结合优化后的工艺参数和力学性能测试,最终实现对K435合金叶片叶隼固定面缺失尺寸的高精度修复。通过分析粉末束流灰度图像与送粉率之间的内在关系,建立了用粉末束流图像灰度分布表征粉末束流浓度分布的方法。分析发现焦点附近区域横截面粉末束流浓度分布呈典型高斯分布特征。载气流量和同轴保护气对粉末束流焦点位置的影响规律相反:载气流量临界值为5 L/min,该值范围内流量越大,焦距越短。大于临界值时,焦距基本不变;而同轴保护气流量越大焦距越长。载气和同轴保护气对粉末颗粒施加作用力方向和区域的不同是造成上述现象的根本原因。送粉速率对焦点位置影响不大,但该值越大,粉末的浓度分布梯度越大。强烈激光辐照下产生的等离子体/金属蒸汽带来的反冲作用力会使粉末颗粒的飞行速度和轨迹发生很大变化。等离子体/金属蒸汽在载气作用下被吹到粉末颗粒飞行轨迹的正前方形成一个高亮的尾巴,称之为“彗尾”。“彗尾”的指向、长度分别与粉末颗粒的飞行方向、加速度的变化规律高度一致。功率密度越大,光粉作用时间越长,上述现象就越明显。粉末束流内部受到激光辐照粉末颗粒的个数和面积受工艺参数的影响很大,尤其是气体流量、离焦量、送粉率和粉末粒度分布等。粉末颗粒落在液态熔池周围的高温半凝固区,且该位置的热量不足以完全熔化粉末是形成粘粉现象的根本原因。通过调节工艺参数和添加辅助气流等措施,改变熔池落入点位置处的粉斑直径相对熔池的大小,或是粉末颗粒落入熔池的位置,均可有效地降低粘粉程度。在多层沉积过程中,沉积方向抬升量ΔZ等于单道熔覆层的高度h是保证激光和粉末相对熔池作用位置不发生变化的充要条件。如果ΔZh,随沉积高度增加,会使熔覆过程无法顺利进行;ΔZh,虽然熔覆过程可稳定进行,但表面精度会随两者差值的增大越来越低。综合考虑熔覆层的表面平整度和熔覆层与基体的结合程度,搭接率不易过大,也不易过小。K435合金激光增材修复后的界面结合强度高于母材。沉积层沿熔覆方向和沉积方向的抗拉强度分别为1530MPa和1350MPa,比母材(903MPa)分别提高69.4%和49.5%;熔覆方向和沉积方向的塑性分别是23%和18%,均比母材的8%高出187.5%和125%。沉积方向和熔覆方向的性能略有差异。修复后的结构尺寸和变形程度基本满足厂家需求。


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