激光熔覆成形过程中温度场演化的研究

发布时间：2017-11-12 12:17

  本文关键词：激光熔覆成形过程中温度场演化的研究

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【摘要】：航空航天事业的蓬勃发展,对航空发动机的性能提出更高的要求:更高的推力和效率以及更长的寿命。使用定向凝固法获得单晶涡轮和导向叶片已经成为几乎所有的生产商用和军用先进发动机的首选。而叶片在加工和服役过程中极易出现损伤,严重的甚至导致叶片的报废,这势必会造成时间和经济上的双重损失,故而破损叶片的修复技术成为现今航空发动机研究领域的一个重要课题。将激光熔覆成形技术与定向凝固技术相结合的激光金属外延成形技术,通过控制成形过程中的温度梯度和凝固速度可以获得从基板处外延生长的定向凝固组织,运用此技术修复破损的叶片,可以完美恢复叶片的几何形状和尺寸精度,并且不影响叶片的性能。温度场作为一个重要参数,其演化过程不仅能直观的反应熔池的大小形状、温度变化、液体流动,并且对微观组织的形成以及制件内部的残余应力都有较大的影响。为了解激光立体成形过程中熔池的热行为,采用三维瞬态模型模拟了采用同轴送粉激光熔覆成形(LMD:laser metal deposition或者LENS:laser engineered net shaping)技术制作直壁墙过程中温度场的演化,被加工的材料为定向凝固镍基高温合金Rene80。首先模拟了粉末在下落过程中与激光的相互作用,并分析了其对熔池温度场可能造成的影响;其次模拟了直壁墙成形过程中温度场的演化。模拟过程考虑了固液相变和液体流动对熔池温度场变化的影响,模拟过程所用的工艺参数为制作直壁墙实验中获得的最优参数。研究发现粉末由喷嘴末端下落到基体表面之前,发生了与激光之间的短时相互作用,其中粉末粒子的温度最高升高到1200K左右,低于Rene80材料的熔点1593.15K,因而粉末到达基体前的温度远没有达到熔点,不能被熔化。根据结果估算可得,粉末对激光的吸收为5%左右。但是,由于粉末的质量太小,到达熔池的粉末带来的能量相对基体吸收的能量太小,因此本文在熔池温度场研究过程中不考虑粉末粒子带来的能量。综合考虑固液相变、粉末注入以及流体流动的基础上,建立了激光熔覆成形制作直壁墙过程中的温度变化模型。结果显示,前四层制作过程中,随着成形层数的增加,熔池附近的温度和制件内部的温度都将会显著增加,而且熔池温度分布开始变得不规则;随着成形层数的进一步增加,即成形层数达到第五层之后,熔池温度开始趋于稳定,不再发生较大的变化。在熔池温度分布变得不规则时,熔池尺寸发生的变化也较大,即熔深、熔宽均有增加,这就造成了直壁墙样件的“下窄上宽”的形状,揭示了成形过程初期的不稳定性。另外,模拟计算的温度场变化规律与实验测得结果相符。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TN249
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本文编号：1175868