【摘要】：更高的推力和效率和更長的壽命是對航空發(fā)動機的性能提出的更高要求,是推動航空航天事業(yè)日益蓬勃發(fā)展的動力。利用定向凝固方法得到單晶渦輪和導(dǎo)向葉片幾乎已經(jīng)成為所有商用和軍用生產(chǎn)先進發(fā)動機的首選。但是在加工和服役過程中葉片難免出現(xiàn)損傷,造成損失,所以修復(fù)破損葉片就成為待攻破的難關(guān)。而激光金屬外延成型技術(shù)則可以攻破此類難關(guān),其由激光直接金屬沉積和定向凝固技術(shù)形成�？刂瞥尚椭械囊恍﹨�(shù),比如凝固速度等,可獲得從基板處外延生長的定向凝固組織。此技術(shù)可以完美修復(fù)破損的葉片,包括恢復(fù)幾何形狀和尺寸精度,并且不影響其性能。在激光直接金屬沉積(Laser Direct Metal Deposition,LDMD)過程中,粉末束到達基材前,會與激光束發(fā)生短時間的相互作用,激光束受到衰減,其強度減小,分布受到改變。為此,采用三維瞬態(tài)模型模擬了同軸LDMD過程中激光束在基材附近處穿過匯聚了的粉末云時受到的衰減,使用鈦金屬粉末。采用射線追蹤方法,計算激光束部分被吸收和部分被散射后在粒子系統(tǒng)各個邊界上的光強分布,邊界包括入射表面,側(cè)表面,以及出射表面�？紤]了激光波長,粒子尺寸和粒子數(shù)對激光衰減過程的影響。模擬結(jié)果顯示具有均勻空間分布的濃度為0.0156g/ml的鈦粉末云對激光的吸收率為8.2%。同時激光束受到粉末云的衰減過程受波長影響較小,但衰減隨粒子數(shù)增加而增強。而且,波長為1.06μm的光束在LDMD中激光與粉末相互作用區(qū)域中和在粒子懸浮液中具有相似的傳播規(guī)律,粒子懸浮液可以被當作是該作用區(qū)域的立體放大,這樣可以將作用區(qū)域單獨拿出來研究,這就提供了一種簡單直接的方法,用來測量粉末云的光學(xué)性能,而不僅僅是在理論上建立模型進行分析。雖然到達熔池的粉末帶來的能量相對基體吸收的能量很小,但是考慮到熔覆層性能的精確計算取決于能量守恒,所以模擬研究粉末云對激光的能量吸收是有必要的。另一方面,建立全新的三維瞬態(tài)模型模擬了同軸LDMD過程中預(yù)加熱導(dǎo)致的粒子溫度分布。粉末粒子受激光束照射,粒子吸收能量,溫度升高。粒子到達熔池的路徑不同,形成的最終溫度不同,這可能影響熔池中的溫度分布,甚至影響加工過程中成型件內(nèi)部溫度場的積累。結(jié)果顯示,隨著粉粒的下落,溫度逐漸升高。并且,在900W的激光照射下,鈦粉粒產(chǎn)生熔化現(xiàn)象。
[Abstract]:Higher thrust, higher efficiency and longer life are the higher requirements for the performance of aero-engines, and are the driving force to promote the development of aerospace industry. Using directional solidification method to obtain single crystal turbine and guide blade has become the first choice for all commercial and military advanced engines. However, in the process of processing and service, the blade is inevitably damaged, resulting in losses, so repairing the damaged blade becomes a difficult problem to be broken. Laser metal epitaxial forming technology can overcome these difficulties, which is formed by laser direct metal deposition and directional solidification. Some parameters, such as solidification speed, can be used to obtain directional solidification structure grown from substrate. This technique can perfect repair damaged blade, including restoring geometric shape and dimensional accuracy without affecting its performance. In the process of laser direct metal deposition (Laser Direct Metal Deposition,LDMD), the powder beam will interact with the laser beam for a short time before reaching the substrate, the laser beam will be attenuated, its intensity will decrease and its distribution will be changed. For this reason, the attenuation of laser beam passing through the converged powder cloud near the substrate during the coaxial LDMD process was simulated by a three-dimensional transient model, and the titanium powder was used. The ray tracing method is used to calculate the intensity distribution of the laser beam on each boundary of the particle system after the laser beam is partially absorbed and partially scattered. The boundary includes the incident surface, the side surface and the outgoing surface. The effects of laser wavelength, particle size and particle number on laser attenuation are considered. The simulation results show that the laser absorption rate of titanium powder cloud with uniform spatial distribution of 0.0156g/ml concentration is 8.2. At the same time, the attenuation process of laser beam by the powder cloud is less affected by the wavelength, but the attenuation increases with the increase of the number of particles. Moreover, the beam with a wavelength of 1.06 渭 m has a similar propagation pattern in the laser powder interaction region in LDMD and in the particle suspension, and the particle suspension can be regarded as the stereoscopic amplification of the action region. In this way, the action region can be studied separately, which provides a simple and direct method to measure the optical properties of the powder cloud, rather than just establishing a theoretical model for analysis. Although the energy of the powder reaching the molten pool is very small relative to the energy absorbed by the matrix, considering that the accurate calculation of the performance of the cladding layer depends on the conservation of energy, it is necessary to simulate the energy absorption of the powder cloud to the laser. On the other hand, a new 3D transient model is established to simulate the particle temperature distribution caused by preheating in the coaxial LDMD process. When the powder particles are irradiated by laser beam, the particle absorbs energy and raises the temperature. Different paths of particles to the molten pool lead to different final temperatures, which may affect the temperature distribution in the molten pool and even the accumulation of the temperature field inside the molded parts in the process of processing. The results showed that the temperature increased with the drop of powder particles. In addition, titanium particles melt under 900 W laser irradiation.
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

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本文編號：2266937