ZTC4圆孔激光熔覆修复技术研究

发布时间：2020-06-11 08:05

【摘要】：铸造钛合金是航空发动机的薄壁机匣主要制造材料。当前在国内,针对铸造缺陷多还是采用手工电弧焊方法进行修复,不仅变形大、易形成裂纹,且质量难以控制。同样产品在国外先进国家早已采用激光熔覆方法进行自动修复,其热输入低、变形小,自动化程度高,在钛合金构件的生产制造上具有广阔的应用市场。本文将以5.5mm厚ZTC4钛合金为基体,TC4粉末为填充材料,采用同轴送粉式激光熔化沉积方法进行圆孔的激光修复技术研究,通过试验和模拟相结合方法完成工艺参数与修复路径的优化,获得优化修复工艺、热处理工艺,同时对其修复区、热影响区性能进行测试、评估,为激光修复技术的工程化应用提供试验与理论支持。本文首先针对ZTC合金底部直径Φ10mm、深度分别为3mm和5mm的圆孔,通过单道激光熔覆试验和数值模拟方法进行了修复工艺参数优化。为对比研究不同热输入对修复质量与热应力的影响,本文通过调节离焦量,分别设计较大光斑直径Φ2.5mm(离焦量-15mm)、较小光斑直径Φ1.0mm(离焦量-5mm)两种尺寸的光斑,系统研究激光功率、扫描速度和送粉量对熔覆成形质量的影响规律,并确定了两种热输入模式下的优化工艺规范。结果发现,3mm深的孔采用Φ2.5mm光斑、800W激光功率修复5层时,相比采用Φ1.0mm光斑、1100W激光功率修复3层,修复区的Von Mises应力增大了2.3%,即单层采用相对较大热输入,减少修复层数更利于降低应力。通过数值模拟的方法完成了激光修复过程的路径优化。研究发现,修复路径选择封边搭接模式时,修复区应力较低,平均值和最大值分别比顺序搭接模式减少了6.0%和4.4%;采用光斑直径为2.5mm和1mm两种工艺和顺序搭接、封边搭接、旋转修复三种路径模式进行了深度分别为3mm、5mm孔的激光熔覆修复对比试验。发现激光熔覆修复后ZTC4试件而气孔率较少,采用大光斑、顺序搭接路径修复,出现了少量层间未熔合;小光斑、封边搭接修复路径效果最好,没有未熔合缺陷、气孔率较低。进一步,对激光修复试样进行组织与力学性能分析,并重点研究多次激光修复对热影响区组织、性能的影响。研究发现,小光斑、封边搭接路径修复后的试件抗拉强度和延伸率均较低,断裂于热影响区处;大光斑、封边搭接路径修复后的试件力学性能较为优越,这是由于采用小光斑、封边搭接进行修复时,修复后热影响区处残余应力较大,产生了显微裂纹,导致了力学性能的下降。激光经过三次修复后,热影响区的尺寸、硬度分别增大了127.3%和4.0%。最后使用退火、固溶+时效两种热处理工艺对修复后的试件进行热处理。研究发现,去应力退火和固溶+时效后修复试样拉伸性能变化不大,但去应力退火后熔覆区硬度降低了6.1%,热影响区降低了2.6%,而固溶+时效熔覆区、热影响区和母材区硬度均略有上升,分别上升了2.5%、3.4%和5.3%。同时,去应力退火后Von Mises应力最大值减小了了39.4%,平均值减小了22.9%,可以明显降低修复后残余应力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263;TG174.4

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