【摘要】：鑄造鈦合金是航空發(fā)動機的薄壁機匣主要制造材料。當前在國內(nèi),針對鑄造缺陷多還是采用手工電弧焊方法進行修復(fù),不僅變形大、易形成裂紋,且質(zhì)量難以控制。同樣產(chǎn)品在國外先進國家早已采用激光熔覆方法進行自動修復(fù),其熱輸入低、變形小,自動化程度高,在鈦合金構(gòu)件的生產(chǎn)制造上具有廣闊的應(yīng)用市場。本文將以5.5mm厚ZTC4鈦合金為基體,TC4粉末為填充材料,采用同軸送粉式激光熔化沉積方法進行圓孔的激光修復(fù)技術(shù)研究,通過試驗和模擬相結(jié)合方法完成工藝參數(shù)與修復(fù)路徑的優(yōu)化,獲得優(yōu)化修復(fù)工藝、熱處理工藝,同時對其修復(fù)區(qū)、熱影響區(qū)性能進行測試、評估,為激光修復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用提供試驗與理論支持。本文首先針對ZTC合金底部直徑Φ10mm、深度分別為3mm和5mm的圓孔,通過單道激光熔覆試驗和數(shù)值模擬方法進行了修復(fù)工藝參數(shù)優(yōu)化。為對比研究不同熱輸入對修復(fù)質(zhì)量與熱應(yīng)力的影響,本文通過調(diào)節(jié)離焦量,分別設(shè)計較大光斑直徑Φ2.5mm(離焦量-15mm)、較小光斑直徑Φ1.0mm(離焦量-5mm)兩種尺寸的光斑,系統(tǒng)研究激光功率、掃描速度和送粉量對熔覆成形質(zhì)量的影響規(guī)律,并確定了兩種熱輸入模式下的優(yōu)化工藝規(guī)范。結(jié)果發(fā)現(xiàn),3mm深的孔采用Φ2.5mm光斑、800W激光功率修復(fù)5層時,相比采用Φ1.0mm光斑、1100W激光功率修復(fù)3層,修復(fù)區(qū)的Von Mises應(yīng)力增大了2.3%,即單層采用相對較大熱輸入,減少修復(fù)層數(shù)更利于降低應(yīng)力。通過數(shù)值模擬的方法完成了激光修復(fù)過程的路徑優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn),修復(fù)路徑選擇封邊搭接模式時,修復(fù)區(qū)應(yīng)力較低,平均值和最大值分別比順序搭接模式減少了6.0%和4.4%;采用光斑直徑為2.5mm和1mm兩種工藝和順序搭接、封邊搭接、旋轉(zhuǎn)修復(fù)三種路徑模式進行了深度分別為3mm、5mm孔的激光熔覆修復(fù)對比試驗。發(fā)現(xiàn)激光熔覆修復(fù)后ZTC4試件而氣孔率較少,采用大光斑、順序搭接路徑修復(fù),出現(xiàn)了少量層間未熔合;小光斑、封邊搭接修復(fù)路徑效果最好,沒有未熔合缺陷、氣孔率較低。進一步,對激光修復(fù)試樣進行組織與力學(xué)性能分析,并重點研究多次激光修復(fù)對熱影響區(qū)組織、性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),小光斑、封邊搭接路徑修復(fù)后的試件抗拉強度和延伸率均較低,斷裂于熱影響區(qū)處;大光斑、封邊搭接路徑修復(fù)后的試件力學(xué)性能較為優(yōu)越,這是由于采用小光斑、封邊搭接進行修復(fù)時,修復(fù)后熱影響區(qū)處殘余應(yīng)力較大,產(chǎn)生了顯微裂紋,導(dǎo)致了力學(xué)性能的下降。激光經(jīng)過三次修復(fù)后,熱影響區(qū)的尺寸、硬度分別增大了127.3%和4.0%。最后使用退火、固溶+時效兩種熱處理工藝對修復(fù)后的試件進行熱處理。研究發(fā)現(xiàn),去應(yīng)力退火和固溶+時效后修復(fù)試樣拉伸性能變化不大,但去應(yīng)力退火后熔覆區(qū)硬度降低了6.1%,熱影響區(qū)降低了2.6%,而固溶+時效熔覆區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)硬度均略有上升,分別上升了2.5%、3.4%和5.3%。同時,去應(yīng)力退火后Von Mises應(yīng)力最大值減小了了39.4%,平均值減小了22.9%,可以明顯降低修復(fù)后殘余應(yīng)力。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V263;TG174.4

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本文編號：2707624