镍基单晶高温合金的激光成形工艺及其计算模拟
发布时间：2021-04-30 08:31
使用复杂型腔单晶高温合金涡轮叶片已经成为提升航空发动机和燃气轮机整体性能的关键手段,但沿用传统熔模精密铸造技术制备涡轮叶片工序繁冗复杂,周期较长,且不能随意设计内部冷却型腔结构。金属材料的激光3D打印技术以其独特的工艺特点为复杂型腔涡轮叶片的制备提供了一种新途径。然而,这项技术目前尚未取得突破性进展。为了促进该技术在工程上取得实质性进展,本文将实验研究与计算模拟相结合,针对激光成形单晶高温合金中面临的关键问题,发展了相应的实验研究方法并建立了相关的理论模型。主要内容包括:（1）利用C语言开发了一个扫描路径生成软件,可以根据输入的激光成形参数自动生成激光成形所使用的数控代码。基于这个软件,可以对激光成形的工艺参数实现完整的控制,并满足特定工艺设计需求。（2）提出了一种矢量化算法,基于该算法,从理论上研究了基材晶体取向对单晶高温合金表面重熔过程中的温度梯度、枝晶生长速度、杂晶形成倾向性的影响。并开展了理论预测与实验结果的对比研究。结果表明该算法可以较为准确地预测枝晶生长方向,并可以初步预测重熔组织中的杂晶形成的倾向性。（3）将上述矢量化算法与有限元软件相结合,研究了激光扫描速度对单晶高温合...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 镍基单晶高温合金
1.1.1 镍基单晶高温合金的定义
1.1.2 单晶生产工艺及其理论基础
1.2 激光成形技术概述
1.2.1 激光重熔与激光熔覆成形
1.2.2 工艺参数对激光成形的影响
1.2.3 扫描路径规划的研究现状
1.2.4 激光成形过程的计算模拟
1.3 单晶高温合金的激光成形
1.3.1 激光成形单晶高温合金的应用前景
1.3.2 激光成形单晶高温合金的微观组织
1.4 本研究工作的目的、内容及意义
第2章 扫描路径规划及软件实现
2.1 引言
2.2 基本操作的数控代码生成
2.2.1 生成单次操作的数控代码
2.2.2 生成多次操作的数控代码
2.3 打印前预热过程的扫描路径
2.3.1 生成简单扫描的预热代码
2.3.2 生成扫描方向可变的预热代码
2.4 打印过程的扫描路径
2.4.1 生成打印代码的框架流程
2.4.2 生成简单扫描的打印代码
2.4.3 生成扫描方向可变的打印代码
2.5 本章小节
第3章 单晶高温合金的激光重熔组织
3.1 引言
3.2 基材晶体取向对枝晶生长行为的影响
3.2.1 传热模型与基本凝固参数
3.2.2 枝晶生长方向的矢量化算法
3.2.3 晶体取向对枝晶生长方向的影响
3.2.4 晶体取向对凝固参数的影响
3.2.5 晶体取向对成分过冷引起的杂晶形成倾向性的影响
3.3 [100]/(001)取向的重熔组织及计算模拟
3.3.1 计算模型及实验方法
3.3.2 凝固界面的形状尺寸及传热
3.3.3 枝晶的生长方向及凝固参数
3.3.4 成分过冷引起的杂晶形成倾向性
3.4 [710]/(001)取向的重熔组织及计算模拟
3.4.1 计算模型及实验方法
3.4.2 枝晶的生长方向及凝固参数
3.4.3 一次枝晶间距的计算方法
3.4.4 平界面凝固的层厚计算方法
3.5 本章小结
第4章 单晶高温合金的激光熔覆工艺
4.1 引言
4.2 基于表面重熔制定的单晶打印工艺参数
4.2.1 不适宜参数的重熔排除
4.2.2 层厚和道次间距的选取方法
4.3 激光成形中的枝晶偏转及其控制方法
4.3.1 激光成形中的枝晶偏转现象
4.3.2 熔池对流对枝晶偏转的影响
4.3.3 枝晶偏转的控制方法
4.4 激光成形过程的实时模拟
4.4.1 打印前预热过程的实时模拟
4.4.2 激光熔覆过程实时模拟
4.5 实时模拟在激光成形中的应用
4.5.1 激光成形过程原位预热的实现方法
4.5.2 原位预热对激光成形高温合金的影响
4.6 激光成形单晶的显微组织及其力学性能
4.6.1 实验方法
4.6.2 微观组织及缺陷
4.6.3 热处理对单晶中γ'相的影响
4.6.4 室温拉伸性能
4.7 本章小结
第5章 全文结论
参考文献
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]Prediction of Dendrite Orientation and Stray Grain Distribution in Laser Surface-melted Single Crystal Superalloy[J]. Guowei Wang,Jingjing Liang,Yizhou Zhou,Tao Jin,Xiaofeng Sun,Zhuangqi Hu. Journal of Materials Science & Technology. 2017(05)
[2]不同工艺条件对激光熔化多道沉积DD5单晶高温合金杂晶的影响[J]. 刘小欣,程序,王华明,李佳. 中国激光. 2017(06)
[3]连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展[J]. 陈明伟,谢巍杰,邱海鹏. 现代技术陶瓷. 2016(06)
[4]Effects of Substrate Crystallographic Orientations on Microstructure in Laser Surface-Melted Single-Crystal Superalloy:Theoretical Analysis[J]. Guo-Wei Wang,Jing-Jing Liang,Yi-Zhou Zhou,Tao Jin,Xiao-Feng Sun,Zhuang-Qi Hu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(08)
[5]预热对激光沉积修复TA15钛合金形貌尺寸和组织的影响[J]. 卞宏友,雷洋,李英,杨光,钦兰云,王维. 中国有色金属学报. 2016(02)
[6]激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J]. 赵志国,柏林,李黎,黄建云. 航空制造技术. 2014(19)
[7]激光立体成形GH4169合金再结晶过程中的界面和晶体取向演化[J]. 刘奋成,林鑫,余小斌,黄春平,黄卫东. 金属学报. 2014(04)
[8]连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用[J]. 王鸣,董志国,张晓越,姚博. 航空制造技术. 2014(06)
[9]不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响[J]. 张斌,张宏,刘双宇. 机械工程师. 2014(02)
[10]铸件分布方式对单晶空心涡轮叶片精铸质量的影响[J]. 卜昆,王念鲁. 铸造. 2014(02)
博士论文
[1]机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究[D]. 王传琦.昆明理工大学 2013
硕士论文
[1]钛合金薄壁零件激光沉积成形基体变形与应力调控研究[D]. 鲁俊杰.山东大学 2016
[2]激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟[D]. 赵海玲.燕山大学 2013
[3]金属材料的热膨胀特性研究[D]. 操龙飞.武汉科技大学 2013
[4]TA15钛合金激光焊接温度场的测量与焊缝特征研究[D]. 黄松.武汉理工大学 2012
本文编号：3169180
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 镍基单晶高温合金
1.1.1 镍基单晶高温合金的定义
1.1.2 单晶生产工艺及其理论基础
1.2 激光成形技术概述
1.2.1 激光重熔与激光熔覆成形
1.2.2 工艺参数对激光成形的影响
1.2.3 扫描路径规划的研究现状
1.2.4 激光成形过程的计算模拟
1.3 单晶高温合金的激光成形
1.3.1 激光成形单晶高温合金的应用前景
1.3.2 激光成形单晶高温合金的微观组织
1.4 本研究工作的目的、内容及意义
第2章 扫描路径规划及软件实现
2.1 引言
2.2 基本操作的数控代码生成
2.2.1 生成单次操作的数控代码
2.2.2 生成多次操作的数控代码
2.3 打印前预热过程的扫描路径
2.3.1 生成简单扫描的预热代码
2.3.2 生成扫描方向可变的预热代码
2.4 打印过程的扫描路径
2.4.1 生成打印代码的框架流程
2.4.2 生成简单扫描的打印代码
2.4.3 生成扫描方向可变的打印代码
2.5 本章小节
第3章 单晶高温合金的激光重熔组织
3.1 引言
3.2 基材晶体取向对枝晶生长行为的影响
3.2.1 传热模型与基本凝固参数
3.2.2 枝晶生长方向的矢量化算法
3.2.3 晶体取向对枝晶生长方向的影响
3.2.4 晶体取向对凝固参数的影响
3.2.5 晶体取向对成分过冷引起的杂晶形成倾向性的影响
3.3 [100]/(001)取向的重熔组织及计算模拟
3.3.1 计算模型及实验方法
3.3.2 凝固界面的形状尺寸及传热
3.3.3 枝晶的生长方向及凝固参数
3.3.4 成分过冷引起的杂晶形成倾向性
3.4 [710]/(001)取向的重熔组织及计算模拟
3.4.1 计算模型及实验方法
3.4.2 枝晶的生长方向及凝固参数
3.4.3 一次枝晶间距的计算方法
3.4.4 平界面凝固的层厚计算方法
3.5 本章小结
第4章 单晶高温合金的激光熔覆工艺
4.1 引言
4.2 基于表面重熔制定的单晶打印工艺参数
4.2.1 不适宜参数的重熔排除
4.2.2 层厚和道次间距的选取方法
4.3 激光成形中的枝晶偏转及其控制方法
4.3.1 激光成形中的枝晶偏转现象
4.3.2 熔池对流对枝晶偏转的影响
4.3.3 枝晶偏转的控制方法
4.4 激光成形过程的实时模拟
4.4.1 打印前预热过程的实时模拟
4.4.2 激光熔覆过程实时模拟
4.5 实时模拟在激光成形中的应用
4.5.1 激光成形过程原位预热的实现方法
4.5.2 原位预热对激光成形高温合金的影响
4.6 激光成形单晶的显微组织及其力学性能
4.6.1 实验方法
4.6.2 微观组织及缺陷
4.6.3 热处理对单晶中γ'相的影响
4.6.4 室温拉伸性能
4.7 本章小结
第5章 全文结论
参考文献
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]Prediction of Dendrite Orientation and Stray Grain Distribution in Laser Surface-melted Single Crystal Superalloy[J]. Guowei Wang,Jingjing Liang,Yizhou Zhou,Tao Jin,Xiaofeng Sun,Zhuangqi Hu. Journal of Materials Science & Technology. 2017(05)
[2]不同工艺条件对激光熔化多道沉积DD5单晶高温合金杂晶的影响[J]. 刘小欣,程序,王华明,李佳. 中国激光. 2017(06)
[3]连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展[J]. 陈明伟,谢巍杰,邱海鹏. 现代技术陶瓷. 2016(06)
[4]Effects of Substrate Crystallographic Orientations on Microstructure in Laser Surface-Melted Single-Crystal Superalloy:Theoretical Analysis[J]. Guo-Wei Wang,Jing-Jing Liang,Yi-Zhou Zhou,Tao Jin,Xiao-Feng Sun,Zhuang-Qi Hu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(08)
[5]预热对激光沉积修复TA15钛合金形貌尺寸和组织的影响[J]. 卞宏友,雷洋,李英,杨光,钦兰云,王维. 中国有色金属学报. 2016(02)
[6]激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J]. 赵志国,柏林,李黎,黄建云. 航空制造技术. 2014(19)
[7]激光立体成形GH4169合金再结晶过程中的界面和晶体取向演化[J]. 刘奋成,林鑫,余小斌,黄春平,黄卫东. 金属学报. 2014(04)
[8]连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用[J]. 王鸣,董志国,张晓越,姚博. 航空制造技术. 2014(06)
[9]不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响[J]. 张斌,张宏,刘双宇. 机械工程师. 2014(02)
[10]铸件分布方式对单晶空心涡轮叶片精铸质量的影响[J]. 卜昆,王念鲁. 铸造. 2014(02)
博士论文
[1]机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究[D]. 王传琦.昆明理工大学 2013
硕士论文
[1]钛合金薄壁零件激光沉积成形基体变形与应力调控研究[D]. 鲁俊杰.山东大学 2016
[2]激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟[D]. 赵海玲.燕山大学 2013
[3]金属材料的热膨胀特性研究[D]. 操龙飞.武汉科技大学 2013
[4]TA15钛合金激光焊接温度场的测量与焊缝特征研究[D]. 黄松.武汉理工大学 2012
本文编号：3169180
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