镍基高温合金微孔激光-高温化学复合加工技术研究
发布时间：2021-10-10 01:56
随着航空制造业的发展,国内外研究机构对航空发动机的研究投入越来越多,航空发动机涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,如何延长其工作寿命,增加耐久度非常重要的研究内容。其中气膜冷却使空气在涡轮叶片表面形成一层保护气膜,将叶片与燃烧室的高温隔离,从而在一定程度上延长涡轮叶片的工作寿命。气膜孔的直径一般在0.2mm～0.8mm之间,一片叶片上通常会分布上百个这样的小孔。在加工过程中往往会产生重铸层以及热影响区等缺陷,导致涡轮叶片发生疲劳断裂,严重影响涡轮叶片的工作寿命。本文以IN718镍基高温合金为研究对象,提出了一种新的激光-高温化学复合加工方法在该合金上进行微孔加工的工艺研究。激光-高温化学加工方法不仅具有激光加工效率高的优点,有效利用激光在加工过程中产生的热,加速化学反应来达到优化微孔加工质量的优点。首先对气膜孔加工的工艺方法进行了相关的介绍,并对激光-高温化学加工方法的优势和具体加工工艺流程进行了相应的解释和说明。并对搭建的实验平台以及相应的器材的选型进行了说明。其次对激光-高温化学加工过程中针对IN718高温合金的化学液的成分配比进行了相应的实验和筛选,以达到在常温下几乎不与基体发生化...
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机涡轮叶片及叶片剖面
青岛理工大学工程硕士学位论文4CD(ECF)毛细管加工,采用玻璃管内的金属丝电极,即电液束打孔,加工孔直径在0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm；另一种是型管电极电解加工，采用外壁有绝缘涂层的中空金属管作为电极，加工孔直径在0.5mm~7mm，最大加工孔深为600mm。目前已有研制的电液束打孔的工艺及设备，应用于发动机单晶涡轮叶片气膜孔的加工。该工艺方法加工的气膜孔不存在重铸层、微裂纹、热影响区，进出口可以自然形成一定的圆角，孔壁光滑[20,21]。但电液束打孔的加工速度一般在1.8~2.5mm/min，远低于电火花高速打孔的速度（50mm/min）[16]。激光打孔是涡轮叶片冷却孔的一种重要而广泛应用的制造工艺[22]。高功率的激光束聚焦在工件表面上以熔化和蒸发材料以形成孔。图1.2显示了激光打孔过程的示意图。激光打孔有两种方式：冲击打孔和旋切打孔。在冲击激光打孔中，重复的激光束能量聚焦在同一点上，蒸发材料直到产生孔。如果需要较大的孔，就要使用旋切。在钻孔激光打孔中，在工件中加工预孔，然后激光相对于工件移动以切割所需直径[23]。一般来说，激光打孔的过程可分为四个阶段：表面加热、表面熔化、材料汽化和熔体喷射[24]。图1.2激光打孔原理示意图Fig1.2Schematicdiagramoflaserdrillingprinciple传统激光加工特点有：激光束的功率密度可达108~1010W/cm2几乎可加工任何材料，包括高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料；加工能力较强、生产效率高，每秒可打数百个孔；激光加工作为非接触加工，可加工薄壁、弹性件等低刚度零件，可对空间狭窄的难加工部位进行打孔；加工中不存在电极损耗的问
青岛理工大学工程硕士学位论文5题，不污染材料，工作噪声小，对环境友好；但激光设备较贵，激光加工后不可避免地会产生再铸层甚至微裂纹，小孔下方端口有熔瘤堆积，磨粒流难以去除。为克服单一激光加工的缺陷国内外多家机构和科研院校对激光复合加工的技术及工艺也进行了多方面的研究，但仍处于初步探索的阶段，仍存在大量问题难以解决。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状在加工涡轮叶片的时候，为了能够提高叶片的高温性能，就必须对叶片采取有效的冷却手段，其中气膜冷却孔的加工对涡轮叶片的冷却效果有极为重要的作用。而由于目前涡轮叶片的材料多为镍基单晶高温合金。气膜孔的直径大小0.2mm~0.8mm之间，所以传统的机械方法很难加工出来，一般通过特种加工的方法加工出来。国外有很多大学和公司对气膜孔加工做了研究。英国曼彻斯特大学的学者M.Imran在镍基高温合金上对微细电火花加工、激光加工、机械加工三种方法进行加工后产生的再铸层厚度做了研究，三者形成的再铸层厚度分别为：6-12μm、9-45μm、0μm。使用WC钻头进行机械加工虽然没有再铸层，但是存在着3-6μm厚的细颗粒区，如图1.3所示[25]。（a）电火花加工（b）激光加工（c）WC钻头加工图1.3不同加工方法再铸层厚度比较Fig1.3Comparisonofthicknessofrecastinglayerindifferentprocessingmethods有些国外学者针对传统的纳秒激光加工存在的问题，尝试了飞秒激光加工的方法，使得每次产生脉冲的时间远小于热能在晶格间传播的时间，从而能够得到很高的加工精度，并且再铸层能够明显减校英国利物浦大学的学者N.G.Semaltianos等人使用飞秒激光对镍基高温合金材料进行加工后，对孔的形貌做了研究[26]。
本文编号：3427417
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机涡轮叶片及叶片剖面
青岛理工大学工程硕士学位论文4CD(ECF)毛细管加工,采用玻璃管内的金属丝电极,即电液束打孔,加工孔直径在0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm；另一种是型管电极电解加工，采用外壁有绝缘涂层的中空金属管作为电极，加工孔直径在0.5mm~7mm，最大加工孔深为600mm。目前已有研制的电液束打孔的工艺及设备，应用于发动机单晶涡轮叶片气膜孔的加工。该工艺方法加工的气膜孔不存在重铸层、微裂纹、热影响区，进出口可以自然形成一定的圆角，孔壁光滑[20,21]。但电液束打孔的加工速度一般在1.8~2.5mm/min，远低于电火花高速打孔的速度（50mm/min）[16]。激光打孔是涡轮叶片冷却孔的一种重要而广泛应用的制造工艺[22]。高功率的激光束聚焦在工件表面上以熔化和蒸发材料以形成孔。图1.2显示了激光打孔过程的示意图。激光打孔有两种方式：冲击打孔和旋切打孔。在冲击激光打孔中，重复的激光束能量聚焦在同一点上，蒸发材料直到产生孔。如果需要较大的孔，就要使用旋切。在钻孔激光打孔中，在工件中加工预孔，然后激光相对于工件移动以切割所需直径[23]。一般来说，激光打孔的过程可分为四个阶段：表面加热、表面熔化、材料汽化和熔体喷射[24]。图1.2激光打孔原理示意图Fig1.2Schematicdiagramoflaserdrillingprinciple传统激光加工特点有：激光束的功率密度可达108~1010W/cm2几乎可加工任何材料，包括高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料；加工能力较强、生产效率高，每秒可打数百个孔；激光加工作为非接触加工，可加工薄壁、弹性件等低刚度零件，可对空间狭窄的难加工部位进行打孔；加工中不存在电极损耗的问
青岛理工大学工程硕士学位论文5题，不污染材料，工作噪声小，对环境友好；但激光设备较贵，激光加工后不可避免地会产生再铸层甚至微裂纹，小孔下方端口有熔瘤堆积，磨粒流难以去除。为克服单一激光加工的缺陷国内外多家机构和科研院校对激光复合加工的技术及工艺也进行了多方面的研究，但仍处于初步探索的阶段，仍存在大量问题难以解决。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状在加工涡轮叶片的时候，为了能够提高叶片的高温性能，就必须对叶片采取有效的冷却手段，其中气膜冷却孔的加工对涡轮叶片的冷却效果有极为重要的作用。而由于目前涡轮叶片的材料多为镍基单晶高温合金。气膜孔的直径大小0.2mm~0.8mm之间，所以传统的机械方法很难加工出来，一般通过特种加工的方法加工出来。国外有很多大学和公司对气膜孔加工做了研究。英国曼彻斯特大学的学者M.Imran在镍基高温合金上对微细电火花加工、激光加工、机械加工三种方法进行加工后产生的再铸层厚度做了研究，三者形成的再铸层厚度分别为：6-12μm、9-45μm、0μm。使用WC钻头进行机械加工虽然没有再铸层，但是存在着3-6μm厚的细颗粒区，如图1.3所示[25]。（a）电火花加工（b）激光加工（c）WC钻头加工图1.3不同加工方法再铸层厚度比较Fig1.3Comparisonofthicknessofrecastinglayerindifferentprocessingmethods有些国外学者针对传统的纳秒激光加工存在的问题，尝试了飞秒激光加工的方法，使得每次产生脉冲的时间远小于热能在晶格间传播的时间，从而能够得到很高的加工精度，并且再铸层能够明显减校英国利物浦大学的学者N.G.Semaltianos等人使用飞秒激光对镍基高温合金材料进行加工后，对孔的形貌做了研究[26]。
本文编号：3427417
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