【摘要】：合金組織決定性能,性能決定用途。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱通道部件服役時(shí)集高溫、大應(yīng)力梯度和氧化腐蝕環(huán)境于一體,對(duì)合金的使用性能和工藝性能都有較高要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪盤(pán)和葉片的承溫由葉尖至渦輪盤(pán)轂極速遞減,而承受的應(yīng)力則快速遞增。雖然渦輪盤(pán)、葉片大部分由析出強(qiáng)化型鎳基高溫合金制備,但現(xiàn)代渦輪葉片一般是定向組織或單晶組織,而渦輪盤(pán)具有等軸晶組織(雙性能渦輪盤(pán)可實(shí)現(xiàn)輪緣粗晶、輪轂細(xì)晶的梯度組織結(jié)構(gòu))。因此,傳統(tǒng)制備工藝需要單獨(dú)制備渦輪盤(pán)和葉片再組裝成渦輪葉盤(pán),制造工藝復(fù)雜、工藝精度要求高、成品率低、生產(chǎn)成本高。激光立體成形技術(shù)因具有柔性高、成形速度快、對(duì)零件形狀和尺寸限制小、材料組織致密和力學(xué)性能高等特點(diǎn),有望實(shí)現(xiàn)一體化成形渦輪葉盤(pán)。本論文采用激光立體成形技術(shù),以目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的鎳基高溫合金Inconel718(IN718)為成形材料,分析了成形工藝參數(shù)和成形后的熱處理對(duì)實(shí)現(xiàn)一體化制備具有細(xì)晶、粗晶和柱狀晶梯度組織合金的組織和性能的影響,旨在提高快速成形部件的性能、促進(jìn)該技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)梯度成分和組織的快速制備。主要研究結(jié)論如下:(1)不同工藝參數(shù)下激光立體成形IN718合金沉積態(tài)試樣組織均由柱狀晶組成,組織中有少量等軸晶出現(xiàn),在激光功率1000 W、激光光斑直徑2 mm工藝參數(shù)時(shí)的試樣含有等軸晶數(shù)量最多。在激光功率600 W、激光光斑直徑1mm和激光功率2000 W、激光光斑直徑4 mm工藝參數(shù)時(shí)的試樣分別由細(xì)的柱狀晶和粗大的柱狀晶構(gòu)成。在激光功率1000 W、激光光斑直徑2 mm工藝參數(shù)時(shí)的試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最高,分別為936MPa和729MPa。沉積態(tài)試樣經(jīng)固溶處理后,柱狀晶不能完全轉(zhuǎn)化為等軸晶。(2)在選用激光光斑直徑1 mm時(shí),IN718合金試樣的沉積態(tài)組織因激光功率的增加,試樣中柱狀晶等軸晶轉(zhuǎn)變區(qū)域也相對(duì)增加。沉積態(tài)試樣中組織的Laves相形貌隨激光功率的增加而不斷變化。在1100℃固溶溫度下,不同激光功率下試樣組織變化明顯,主要是由于不同的殘余應(yīng)力作為再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力,導(dǎo)致了晶粒尺寸的改變。在激光光斑直徑1mm、激光功率1000 W時(shí),獲得了平均晶粒尺寸最小為60 μm并且相對(duì)較為均勻的細(xì)等軸晶組織。(3)在激光光斑直徑為2mm,選用不同激光功率成形時(shí),IN718合金試樣沉積態(tài)組織仍然以柱狀晶為主,在1100℃固溶處理后,試樣在激光功率1350W時(shí)的晶粒相對(duì)較為細(xì)小,但是仍然大于激光功率1000W、激光光斑直徑1mm時(shí)固溶處理后的試樣。固溶處理后,試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較低,但是塑性較高,斷后延伸率在50%以上。經(jīng)過(guò)均一化固溶處理+δ時(shí)效處理+雙時(shí)效處理后,試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增加,在激光功率為1350W時(shí),抗拉強(qiáng)度為1342MPa、屈服強(qiáng)度為1129MPa,綜合力學(xué)性能較好。(4)在激光光斑直徑為3mm、激光功率1850W下,試樣殘余應(yīng)力值較高,固溶處理后的試樣中含有的孿晶界數(shù)量最多,而小角度晶界數(shù)量最少,組織為粗大的等軸晶,平均晶粒尺寸為190 μm;經(jīng)過(guò)均一化固溶處理+δ時(shí)效處理+雙時(shí)效處理后,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高,分別為1318MPa和1107MPa。沉積態(tài)試樣在激光光斑直徑為4 mm、激光功率2300 W時(shí),殘余應(yīng)力最高,經(jīng)過(guò)固溶處理后,試樣中仍含有一定數(shù)量的柱狀晶組織。(5)在制備的梯度組織IN718合金沉積態(tài)試樣中,仍以柱狀晶組織居多,經(jīng)固溶處理后,在激光功率1000 W、激光光斑直徑1mm參數(shù)區(qū)域組織為相對(duì)細(xì)小的等軸晶,而在1850 W、3 mm參數(shù)區(qū)域組織為較粗大的等軸晶,在2000 W、4mm參數(shù)區(qū)域組織為粗大的柱狀晶組織。經(jīng)過(guò)均一化固溶處理+δ時(shí)效處理+雙時(shí)效處理后的試樣在梯度組織結(jié)合處分別拉伸,斷裂位置在激光功率1850W、激光光斑直徑3 mm的粗晶區(qū)域和激光功率2000 W、激光光斑直徑4 mm的柱狀晶區(qū)域。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG665;TG132.3
【圖文】：

渦輪盤(pán)輪轂處于低溫高應(yīng)力狀態(tài)，輪轂材料需要具備高的屈服強(qiáng)度和抗疲逡逑勞性能，組織應(yīng)為細(xì)晶組織，而輪緣承受高溫低應(yīng)力，輪緣材料需要具備高的蠕逡逑變強(qiáng)度和低的裂紋擴(kuò)展速率，組織應(yīng)為粗晶組織。圖１．２為渦輪盤(pán)在服役過(guò)程中逡逑不同部位所處的溫度和應(yīng)力狀態(tài)。隨著渦輪盤(pán)制備技術(shù)的發(fā)展，渦輪盤(pán)在服役過(guò)逡逑程中可以承受的環(huán)境溫度越來(lái)越高，由最初第一代的承受溫度５５０°Ｃ，到第五代逡逑渦輪盤(pán)合金的７８０°Ｃ以上。與此同時(shí)，渦輪盤(pán)的合金成分組成和相應(yīng)的制備工藝逡逑也在不斷發(fā)展。表Ｍ是渦輪前和盤(pán)緣在不同階段可以承受的溫度表。逡逑ｆｃ！曼德Ａ邐Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｔ逡逑柋逡逑＾逡逑Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ逡逑Ｂｏｒｅ邐Ｒｉｍ逡逑圖１．２渦輪盤(pán)和服役時(shí)溫度和應(yīng)力分布情況｜１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋（ａ）邋Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｄｉｓｋ，邋（ｂ）邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｄｕｒｉｎｇ逡逑ｓｅｒｖｉｃｅ邋⑴逡逑表１．１不同階段渦輪前和盤(pán)緣溫度的發(fā)展ＵＭ］逡逑Ｔａｂｌｅ邋１．１邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ

邐Ｐｏｕｒｉｎｇ邐Ｋｎｏｃｋｏｕｔ邐Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ逡逑圖１．５熔模鑄造制備渦輪葉片流程圖［１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｓｔａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎｖｅｓｔｅｍｅｎｔ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ１＇１逡逑綜上所述，現(xiàn)有的技術(shù)手段很難實(shí)現(xiàn)一體化制備梯度組織的渦輪盤(pán)和葉片，逡逑所以尋找一種可以一體化制備具有梯度組織的渦輪葉盤(pán)技術(shù)手段很有必要。這種逡逑工藝在制備具有相對(duì)復(fù)雜形狀零件時(shí)應(yīng)具有缺陷少、成本較低的特點(diǎn)。逡逑１．３３Ｄ打印筒介逡逑１．３．１邋３Ｄ打印研究現(xiàn)狀逡逑３Ｄ打印技術(shù)作為一種新興的技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外科研工作者和生產(chǎn)者的廣泛逡逑關(guān)注［２４＿３４］，邋３Ｄ打印技術(shù)，也被稱(chēng)為增材制造技術(shù)、快速成型技術(shù)等。３Ｄ打印興逡逑起于上世紀(jì)９０年代，其主要工藝流程是通過(guò)繪圖軟件進(jìn)行建模，然后通過(guò)剖分逡逑軟件對(duì)模型進(jìn)行剖分，轉(zhuǎn)換為３Ｄ打印設(shè)備可以識(shí)別的文件類(lèi)型，然后設(shè)備按照逡逑程序文件進(jìn)行打印，其工藝路線如圖１．６所示。逡逑與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比３Ｄ打印技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)［３５＞３６］：逡逑（１）

邋■士逡逑圖１．７光固化成形工藝［３７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｓｔｅｒｅｏ邋ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ＾３７］逡逑Ｏｐｔｉｃｓ逡逑Ｘ－Ｙ邋Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋Ｄｅｖｉｃｅ邐＾邋｜ｊ｜邐＾、逡逑Ｌａｊｒｅｒ邋Ｏｕｔｌｉｎｅ邋ａｎｄ邐Ｌａｓｅｒ逡逑Ｃｒｏｓｓｈａｔｃｈ邐．、逡逑Ｓｈｅｅｔ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑丁邋ａｋｅ－叩邋Ｒｄｌ逡逑Ｉ邋７邋Ｍ逡逑Ｐａｒｔ邋Ｂｌｏｃｋ邐１邋？逡逑Ｐｌａｔｆｃ？逡逑、、—Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｓｕｐｐｌｙ邋Ｒｏｌｌ逡逑圖１．８分層實(shí)體式工藝［功逡逑Ｆｉｇ．邋１．８邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ＬＯＭ邋ｐｒｏｃｅｓｓ＾３＂＾逡逑廠邋ＳＣＡＮＮＥＲ逡逑ＳＹＳＴＥＭ＜Ｆ＞邐，＿邋ＬＡＳＥＲ逡逑Ｉ邋／邐逡逑Ｓ＃粒蹋疲模]3?ＷＫ邋邐逡逑邐、邐ｎｒ邐逡逑ｉ邐＼邐：逡逑ＲＯＬＬＥ邋Ｒ邋（Ｂ）邋＂Ａ，邐／邋＼邐邐ｆ邋Ａ６ＲＩＣＡＨ０Ｎ邋；逡逑ｖ邐ｊ邋Ｉ邐／邐ＰＯＷＤＥＲ邋ＢＣＤ邋（Ａ＞邋ｉ逡逑Ｏ．．．

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2760923