發(fā)布時(shí)間：2017-11-12 12:17

  本文關(guān)鍵詞：激光熔覆成形過(guò)程中溫度場(chǎng)演化的研究

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【摘要】：航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出更高的要求:更高的推力和效率以及更長(zhǎng)的壽命。使用定向凝固法獲得單晶渦輪和導(dǎo)向葉片已經(jīng)成為幾乎所有的生產(chǎn)商用和軍用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的首選。而葉片在加工和服役過(guò)程中極易出現(xiàn)損傷,嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致葉片的報(bào)廢,這勢(shì)必會(huì)造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的雙重?fù)p失,故而破損葉片的修復(fù)技術(shù)成為現(xiàn)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。將激光熔覆成形技術(shù)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合的激光金屬外延成形技術(shù),通過(guò)控制成形過(guò)程中的溫度梯度和凝固速度可以獲得從基板處外延生長(zhǎng)的定向凝固組織,運(yùn)用此技術(shù)修復(fù)破損的葉片,可以完美恢復(fù)葉片的幾何形狀和尺寸精度,并且不影響葉片的性能。溫度場(chǎng)作為一個(gè)重要參數(shù),其演化過(guò)程不僅能直觀的反應(yīng)熔池的大小形狀、溫度變化、液體流動(dòng),并且對(duì)微觀組織的形成以及制件內(nèi)部的殘余應(yīng)力都有較大的影響。為了解激光立體成形過(guò)程中熔池的熱行為,采用三維瞬態(tài)模型模擬了采用同軸送粉激光熔覆成形(LMD:laser metal deposition或者LENS:laser engineered net shaping)技術(shù)制作直壁墻過(guò)程中溫度場(chǎng)的演化,被加工的材料為定向凝固鎳基高溫合金Rene80。首先模擬了粉末在下落過(guò)程中與激光的相互作用,并分析了其對(duì)熔池溫度場(chǎng)可能造成的影響;其次模擬了直壁墻成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的演化。模擬過(guò)程考慮了固液相變和液體流動(dòng)對(duì)熔池溫度場(chǎng)變化的影響,模擬過(guò)程所用的工藝參數(shù)為制作直壁墻實(shí)驗(yàn)中獲得的最優(yōu)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)粉末由噴嘴末端下落到基體表面之前,發(fā)生了與激光之間的短時(shí)相互作用,其中粉末粒子的溫度最高升高到1200K左右,低于Rene80材料的熔點(diǎn)1593.15K,因而粉末到達(dá)基體前的溫度遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn),不能被熔化。根據(jù)結(jié)果估算可得,粉末對(duì)激光的吸收為5%左右。但是,由于粉末的質(zhì)量太小,到達(dá)熔池的粉末帶來(lái)的能量相對(duì)基體吸收的能量太小,因此本文在熔池溫度場(chǎng)研究過(guò)程中不考慮粉末粒子帶來(lái)的能量。綜合考慮固液相變、粉末注入以及流體流動(dòng)的基礎(chǔ)上,建立了激光熔覆成形制作直壁墻過(guò)程中的溫度變化模型。結(jié)果顯示,前四層制作過(guò)程中,隨著成形層數(shù)的增加,熔池附近的溫度和制件內(nèi)部的溫度都將會(huì)顯著增加,而且熔池溫度分布開(kāi)始變得不規(guī)則;隨著成形層數(shù)的進(jìn)一步增加,即成形層數(shù)達(dá)到第五層之后,熔池溫度開(kāi)始趨于穩(wěn)定,不再發(fā)生較大的變化。在熔池溫度分布變得不規(guī)則時(shí),熔池尺寸發(fā)生的變化也較大,即熔深、熔寬均有增加,這就造成了直壁墻樣件的“下窄上寬”的形狀,揭示了成形過(guò)程初期的不穩(wěn)定性。另外,模擬計(jì)算的溫度場(chǎng)變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果相符。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4;TN249
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本文編號(hào)：1175868