【摘要】：鎳基單晶高溫合金因其優(yōu)異的高溫抗蠕變和高溫疲勞性能被廣泛的用作現(xiàn)代燃氣輪機的高壓渦輪葉片的材料。鎳基單晶渦輪葉片的材料和制造費用高昂,其使用壽命受熱疲勞裂紋、葉尖質(zhì)量缺失、裂紋、表面磨損等諸多缺陷的影響。鎳基單晶渦輪葉片的更新費用占了燃氣輪機維護費用的的很大部分。通過檢測和修復(fù)受損的葉片,從而延長其使用壽命,不僅可以降低燃氣輪機的維護費用,而且節(jié)約了大量昂貴的合金材料。激光送粉熔覆技術(shù)作為一種高效的修復(fù)技術(shù)已經(jīng)被用于多晶合金葉片的葉尖凈成型修復(fù)。對于鎳基單晶合金葉片,只有保持修復(fù)區(qū)域內(nèi)為與基材組織一致的單晶組織,才能確保修復(fù)后的單晶葉片機械性能不會降低,實現(xiàn)成功修復(fù)。目前,鎳基單晶渦輪葉片主要由熔模鑄造方法制造。熔模鑄造方法具有生產(chǎn)周期長、費用高昂、較高的失敗率和容易產(chǎn)生鑄造缺陷等缺點,導(dǎo)致單晶葉片制造費用高昂。激光送粉熔覆技術(shù)結(jié)合CAD、CAM和反饋控制等技術(shù)后可以直接成型各種材料的部件。因此,激光送粉熔覆技術(shù)不僅可用于單晶渦輪葉片的修復(fù),還提供了直接快速成型單晶渦輪葉片的可行性。而采用激光技術(shù)直接凈成型單晶葉片的關(guān)鍵就是實現(xiàn)多層多道激光熔覆過程中單晶組織的連續(xù)性生長。然而激光送粉熔覆單晶合金過程中,熔池內(nèi)晶體生長受到諸多因素的影響,非常難以控制。因此,研究激光送粉熔覆鎳基單晶合金過程中的傳輸現(xiàn)象和單晶晶體生長機理和組織分布非常有意義,也有助于單晶葉片修復(fù)和制造技術(shù)的飛發(fā)展。為了更好地理解激光送粉熔覆單晶合金過程中的傳輸現(xiàn)象,本研究中建立了一個三維瞬態(tài)數(shù)值模型。該數(shù)值模型定量研究激光-粉末相互作用、熱傳導(dǎo)、熔化、凝固、液態(tài)金屬流場、重熔和搭接等諸多物理詳細,并分析討論了激光功率、掃描速度和送粉率等工藝參數(shù)對傳輸現(xiàn)象的影響。在建立的三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上,一個新的晶體生長模型被建立并耦合進之前的三維模型來計算熔池凝固過程中凝固界面上晶體生長行為和熔覆層內(nèi)微觀組織的分布。新耦合的數(shù)值模型計算了工藝參數(shù)如激光功率、掃描速度、送粉率、同軸噴嘴傾角、基材晶體方向等對晶體生長和微觀組織分布的影響,并與實驗結(jié)果進行對照分析。針對單晶葉片的葉尖修復(fù),數(shù)值優(yōu)化了激光薄壁熔覆過程中保持單晶組織連續(xù)生長的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,進一步研究而來激光多層多道熔覆過程中的晶體生長和組織分布,并分析了搭接率和掃描路徑對晶體生長和微觀組織分布的影響。在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過MATLAB構(gòu)建了一個數(shù)學(xué)模型來計算單晶組織連續(xù)生長的工藝窗口。于此同時,通過數(shù)值模擬和實驗結(jié)果分析了多層多道激光熔覆單晶合金過程中裂紋出現(xiàn)的機理,并設(shè)計了輔助工藝方法控制裂紋的出現(xiàn)。最后,激光修復(fù)和制造單晶葉片的可行性進行了評估探討。
[Abstract]:The nickel-based single-crystal high-temperature alloy is widely used as a material for high-pressure turbine blades of modern gas turbines because of its excellent high-temperature creep and high-temperature fatigue properties. The material and manufacturing cost of the nickel-based single-crystal turbine blade are high, and the service life of the nickel-based single-crystal turbine blade is high, and the service life of the nickel-based single-crystal turbine blade is affected by various defects such as fatigue crack, loss of tip quality, The cost of the nickel-based single-crystal turbine blade is a significant part of the maintenance of the gas turbine. By detecting and repairing the damaged blades, the service life of the damaged blades can be prolonged, the maintenance cost of the gas turbine can be reduced, and a large amount of expensive alloy materials are saved. Laser powder-feeding and cladding technology has been used as a high-efficiency repair technology for blade tip net-forming and repair of polycrystalline alloy blades. In that nickel-based single-crystal alloy blade, only the single-crystal tissue which is consistent with the substrate is kept in the repair area, so that the mechanical property of the repaired single-crystal blade can not be reduced, and the successful repair can be realized. At present, the nickel-based single-crystal turbine blade is mainly manufactured by the investment casting method. The investment casting method has the defects of long production period, high cost, high failure rate and easy production of casting defects, and the like, and the manufacturing cost of the single crystal blade is high. Laser powder-feeding and cladding technology can be used to directly form parts of various materials, such as CAD, CAM and feedback control. Therefore, the laser powder feeding and cladding technology can not only be used for the repair of single crystal turbine blades, but also provides the feasibility of directly and rapidly forming single crystal turbine blades. And the key of using the laser technology to directly clean the single crystal blade is to realize the continuous growth of the single crystal tissue in the multi-layer multi-channel laser cladding process. However, in the process of laser-feeding and cladding of single crystal alloy, the crystal growth in the molten pool is affected by many factors, and it is very difficult to control. Therefore, it is of great significance to study the transmission phenomenon and the mechanism of single crystal growth and the distribution of the structure in the process of the laser-feeding and cladding of the Ni-based single crystal alloy, which can also contribute to the development of the single-crystal blade repair and manufacturing technology. In order to better understand the transmission of laser powder in the process of single crystal alloy, a three-dimensional transient numerical model is established in this study. The numerical model is used to quantitatively study the laser-powder interaction, heat conduction, melting, solidification, liquid metal flow field, remelting and lapping. The effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the transmission are also discussed. On the basis of the established three-dimensional numerical model, a new crystal growth model was established and coupled into the previous three-dimensional model to calculate the crystal growth behavior and the distribution of the microstructure in the cladding layer during the solidification of the molten pool. The effects of process parameters such as laser power, scanning speed, powder feeding rate, coaxial nozzle inclination angle and substrate crystal orientation on the crystal growth and microstructure distribution are calculated and compared with the experimental results. Aiming at the tip repair of single crystal blade, the process parameters of continuous growth of single crystal are optimized in the process of laser thin-wall cladding. On this basis, the crystal growth and tissue distribution in the laser multi-layer multi-channel cladding process are further studied, and the effects of the lapping rate and the scanning path on the crystal growth and the microstructure distribution are also analyzed. On the basis of the numerical simulation results, a mathematical model is constructed to calculate the process window of the continuous growth of the single crystal tissue. At the same time, through the numerical simulation and the experimental results, the mechanism of the crack in the process of multi-layer multi-channel laser cladding single crystal alloy is analyzed, and the auxiliary process method is designed to control the appearance of the crack. Finally, the feasibility of laser repair and the manufacture of single crystal blade is discussed.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG665;TG132.3

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本文編號：2510527