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钛合金激光熔覆工艺与形貌预测研究

谢红梅  
【摘要】:激光熔覆技术是在单道激光熔覆的基础上,经过多道多层的堆积,最终形成预定的形状。随着该技术在激光熔覆修复和激光立体成形两方面的发展,激光熔覆成形精度的要求越来越高。而工艺参数和熔覆层形貌是成形精度的直接影响因素和重要特征,因此对两者及两者之间关系的研究成为激光熔覆技术的热点问题。在此背景下,本文针对航空航天领域常用的钛合金TC4,使用同轴送粉激光熔覆加工系统,从单道激光熔覆工艺及形貌入手,对激光熔覆的形貌预测和参数预选问题进行了一系列的试验和理论研究。具体研究的主要内容如下: (1)通过单道正交试验,分析了激光功率、扫描速度及送粉速率三个工艺参数对熔覆层形状参数的影响主次,研究了熔覆层弓形横截面的成形原因。除此之外,还探讨了TC4激光熔覆中主要缺陷的产生原因及控制方法。 (2)对激光离焦量进行单因素试验,分析其对单道熔覆层形状的影响规律。并以此为基础,通过响应曲面中心复合设计CCD试验,建立了预测单道熔覆层形貌的二次回归模型,进一步研究各工艺参数对熔覆层形状的影响规律。 (3)建立了热搭接和冷搭接两种方式下的多道单层激光熔覆搭接模型,并给出了在不同方式下的最优扫描间距。文中分析了不同宽高比的热搭接情况,并指出当宽高比小于2时,在满足特定条件的情况下也能实现良好的多道激光熔覆。同时,给出了冷搭接的两种实现方法,提出了基于操作简单和成形稳定的冷搭接优选方法。 (4)基于单道多层激光熔覆建立了堆积几何模型,以此为基础推导出合理的Z轴提升量,并提出堆积层数与熔覆层高度存在线性关系。同时,分别进行不同扫描方式下的多层激光熔覆试验,对比研究了扫描方式对熔覆层形貌的影响。 基于以上研究,本文建立了单道熔覆层的形貌预测模型及多道多层激光熔覆的几何模型,实现了激光熔覆层二维形貌的简单预测,并为多道多层激光熔覆提供了工艺参数的选择依据。


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