鎳基高溫合金微孔激光-高溫化學復合加工技術研究
發(fā)布時間：2021-10-10 01:56
隨著航空制造業(yè)的發(fā)展,國內外研究機構對航空發(fā)動機的研究投入越來越多,航空發(fā)動機渦輪葉片作為航空發(fā)動機的核心部件,如何延長其工作壽命,增加耐久度非常重要的研究內容。其中氣膜冷卻使空氣在渦輪葉片表面形成一層保護氣膜,將葉片與燃燒室的高溫隔離,從而在一定程度上延長渦輪葉片的工作壽命。氣膜孔的直徑一般在0.2mm～0.8mm之間,一片葉片上通常會分布上百個這樣的小孔。在加工過程中往往會產生重鑄層以及熱影響區(qū)等缺陷,導致渦輪葉片發(fā)生疲勞斷裂,嚴重影響渦輪葉片的工作壽命。本文以IN718鎳基高溫合金為研究對象,提出了一種新的激光-高溫化學復合加工方法在該合金上進行微孔加工的工藝研究。激光-高溫化學加工方法不僅具有激光加工效率高的優(yōu)點,有效利用激光在加工過程中產生的熱,加速化學反應來達到優(yōu)化微孔加工質量的優(yōu)點。首先對氣膜孔加工的工藝方法進行了相關的介紹,并對激光-高溫化學加工方法的優(yōu)勢和具體加工工藝流程進行了相應的解釋和說明。并對搭建的實驗平臺以及相應的器材的選型進行了說明。其次對激光-高溫化學加工過程中針對IN718高溫合金的化學液的成分配比進行了相應的實驗和篩選,以達到在常溫下幾乎不與基體發(fā)生化...
【文章來源】：青島理工大學山東省
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
航空發(fā)動機渦輪葉片及葉片剖面
青島理工大學工程碩士學位論文4CD(ECF)毛細管加工,采用玻璃管內的金屬絲電極,即電液束打孔,加工孔直徑在0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm；另一種是型管電極電解加工，采用外壁有絕緣涂層的中空金屬管作為電極，加工孔直徑在0.5mm~7mm，最大加工孔深為600mm。目前已有研制的電液束打孔的工藝及設備，應用于發(fā)動機單晶渦輪葉片氣膜孔的加工。該工藝方法加工的氣膜孔不存在重鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)，進出口可以自然形成一定的圓角，孔壁光滑[20,21]。但電液束打孔的加工速度一般在1.8~2.5mm/min，遠低于電火花高速打孔的速度（50mm/min）[16]。激光打孔是渦輪葉片冷卻孔的一種重要而廣泛應用的制造工藝[22]。高功率的激光束聚焦在工件表面上以熔化和蒸發(fā)材料以形成孔。圖1.2顯示了激光打孔過程的示意圖。激光打孔有兩種方式：沖擊打孔和旋切打孔。在沖擊激光打孔中，重復的激光束能量聚焦在同一點上，蒸發(fā)材料直到產生孔。如果需要較大的孔，就要使用旋切。在鉆孔激光打孔中，在工件中加工預孔，然后激光相對于工件移動以切割所需直徑[23]。一般來說，激光打孔的過程可分為四個階段：表面加熱、表面熔化、材料汽化和熔體噴射[24]。圖1.2激光打孔原理示意圖Fig1.2Schematicdiagramoflaserdrillingprinciple傳統(tǒng)激光加工特點有：激光束的功率密度可達108~1010W/cm2幾乎可加工任何材料，包括高強度、高硬度、高韌性、高熔點的金屬或非金屬材料；加工能力較強、生產效率高，每秒可打數百個孔；激光加工作為非接觸加工，可加工薄壁、彈性件等低剛度零件，可對空間狹窄的難加工部位進行打孔；加工中不存在電極損耗的問
青島理工大學工程碩士學位論文5題，不污染材料，工作噪聲小，對環(huán)境友好；但激光設備較貴，激光加工后不可避免地會產生再鑄層甚至微裂紋，小孔下方端口有熔瘤堆積，磨粒流難以去除。為克服單一激光加工的缺陷國內外多家機構和科研院校對激光復合加工的技術及工藝也進行了多方面的研究，但仍處于初步探索的階段，仍存在大量問題難以解決。1.3國內外研究現狀1.3.1國外研究現狀在加工渦輪葉片的時候，為了能夠提高葉片的高溫性能，就必須對葉片采取有效的冷卻手段，其中氣膜冷卻孔的加工對渦輪葉片的冷卻效果有極為重要的作用。而由于目前渦輪葉片的材料多為鎳基單晶高溫合金。氣膜孔的直徑大小0.2mm~0.8mm之間，所以傳統(tǒng)的機械方法很難加工出來，一般通過特種加工的方法加工出來。國外有很多大學和公司對氣膜孔加工做了研究。英國曼徹斯特大學的學者M.Imran在鎳基高溫合金上對微細電火花加工、激光加工、機械加工三種方法進行加工后產生的再鑄層厚度做了研究，三者形成的再鑄層厚度分別為：6-12μm、9-45μm、0μm。使用WC鉆頭進行機械加工雖然沒有再鑄層，但是存在著3-6μm厚的細顆粒區(qū)，如圖1.3所示[25]。（a）電火花加工（b）激光加工（c）WC鉆頭加工圖1.3不同加工方法再鑄層厚度比較Fig1.3Comparisonofthicknessofrecastinglayerindifferentprocessingmethods有些國外學者針對傳統(tǒng)的納秒激光加工存在的問題，嘗試了飛秒激光加工的方法，使得每次產生脈沖的時間遠小于熱能在晶格間傳播的時間，從而能夠得到很高的加工精度，并且再鑄層能夠明顯減校英國利物浦大學的學者N.G.Semaltianos等人使用飛秒激光對鎳基高溫合金材料進行加工后，對孔的形貌做了研究[26]。
本文編號：3427417
【文章來源】：青島理工大學山東省
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
航空發(fā)動機渦輪葉片及葉片剖面
青島理工大學工程碩士學位論文4CD(ECF)毛細管加工,采用玻璃管內的金屬絲電極,即電液束打孔,加工孔直徑在0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm；另一種是型管電極電解加工，采用外壁有絕緣涂層的中空金屬管作為電極，加工孔直徑在0.5mm~7mm，最大加工孔深為600mm。目前已有研制的電液束打孔的工藝及設備，應用于發(fā)動機單晶渦輪葉片氣膜孔的加工。該工藝方法加工的氣膜孔不存在重鑄層、微裂紋、熱影響區(qū)，進出口可以自然形成一定的圓角，孔壁光滑[20,21]。但電液束打孔的加工速度一般在1.8~2.5mm/min，遠低于電火花高速打孔的速度（50mm/min）[16]。激光打孔是渦輪葉片冷卻孔的一種重要而廣泛應用的制造工藝[22]。高功率的激光束聚焦在工件表面上以熔化和蒸發(fā)材料以形成孔。圖1.2顯示了激光打孔過程的示意圖。激光打孔有兩種方式：沖擊打孔和旋切打孔。在沖擊激光打孔中，重復的激光束能量聚焦在同一點上，蒸發(fā)材料直到產生孔。如果需要較大的孔，就要使用旋切。在鉆孔激光打孔中，在工件中加工預孔，然后激光相對于工件移動以切割所需直徑[23]。一般來說，激光打孔的過程可分為四個階段：表面加熱、表面熔化、材料汽化和熔體噴射[24]。圖1.2激光打孔原理示意圖Fig1.2Schematicdiagramoflaserdrillingprinciple傳統(tǒng)激光加工特點有：激光束的功率密度可達108~1010W/cm2幾乎可加工任何材料，包括高強度、高硬度、高韌性、高熔點的金屬或非金屬材料；加工能力較強、生產效率高，每秒可打數百個孔；激光加工作為非接觸加工，可加工薄壁、彈性件等低剛度零件，可對空間狹窄的難加工部位進行打孔；加工中不存在電極損耗的問
青島理工大學工程碩士學位論文5題，不污染材料，工作噪聲小，對環(huán)境友好；但激光設備較貴，激光加工后不可避免地會產生再鑄層甚至微裂紋，小孔下方端口有熔瘤堆積，磨粒流難以去除。為克服單一激光加工的缺陷國內外多家機構和科研院校對激光復合加工的技術及工藝也進行了多方面的研究，但仍處于初步探索的階段，仍存在大量問題難以解決。1.3國內外研究現狀1.3.1國外研究現狀在加工渦輪葉片的時候，為了能夠提高葉片的高溫性能，就必須對葉片采取有效的冷卻手段，其中氣膜冷卻孔的加工對渦輪葉片的冷卻效果有極為重要的作用。而由于目前渦輪葉片的材料多為鎳基單晶高溫合金。氣膜孔的直徑大小0.2mm~0.8mm之間，所以傳統(tǒng)的機械方法很難加工出來，一般通過特種加工的方法加工出來。國外有很多大學和公司對氣膜孔加工做了研究。英國曼徹斯特大學的學者M.Imran在鎳基高溫合金上對微細電火花加工、激光加工、機械加工三種方法進行加工后產生的再鑄層厚度做了研究，三者形成的再鑄層厚度分別為：6-12μm、9-45μm、0μm。使用WC鉆頭進行機械加工雖然沒有再鑄層，但是存在著3-6μm厚的細顆粒區(qū)，如圖1.3所示[25]。（a）電火花加工（b）激光加工（c）WC鉆頭加工圖1.3不同加工方法再鑄層厚度比較Fig1.3Comparisonofthicknessofrecastinglayerindifferentprocessingmethods有些國外學者針對傳統(tǒng)的納秒激光加工存在的問題，嘗試了飛秒激光加工的方法，使得每次產生脈沖的時間遠小于熱能在晶格間傳播的時間，從而能夠得到很高的加工精度，并且再鑄層能夠明顯減校英國利物浦大學的學者N.G.Semaltianos等人使用飛秒激光對鎳基高溫合金材料進行加工后，對孔的形貌做了研究[26]。
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