钛合金激光沉积修复关键技术研究

【摘要】激光沉积修复是以激光熔覆和快速成形技术为基础发展起来的一种新型的再制造技术，该技术利用高能激光使熔覆材料与待修复的基体形成致密的冶金结合，恢复零件几何尺寸及力学性能，因其可实现金属零件全密度三维近终成形再制造，具有广阔的应用前景。本文在研制了激光沉积修复系统的基础上采用有限元数值模拟、试验研究和理论分析相结合的方法，对修复过程的温度场模拟、激光沉积钛合金组织形成特征、磁场调控组织和力学性能控制技术等进行了分析探讨。开展了钛合金结构件典型损伤激光沉积修复关键技术研究，对钛合金结构激光沉积工艺、激光沉积修复钛合金零件组织及内部质量控制、力学性能测试（拉伸、冲击等）等关键技术进行了系统的研究。对于丰富凝固理论、促进该技术在航空业的发展和应用具有一定的理论价值和应用价值。针对钛合金化学性质活泼，与空气中的氧、氮、碳等元素具有很强的亲和力的特性，研制了钛合金构件激光沉积修复系统，该系统由激光器、惰性气体动态保护系统、运动执行系统、送粉系统、磁场搅拌辅助系统及工艺规划与控制软件六个模块构成，并对系统的关键部件送粉喷嘴和电磁搅拌装置进行了设计和优化。采用参数化编程建立了激光沉积修复三维瞬态温度场有限元模型，对其进行了较为全面的数值模拟研究，分析了激光工艺参数对沉积过程温度场的影响及分布、温度梯度的变化规律。模拟结果表明激光沉积层具有极高的温度梯度，高达105~106℃/m，沉积层与基体上节点的温度场呈周期性动态变化，不同位置的点表现出不同的的热循环特性。通过模拟获得沉积层不同高度节点的温度时间历程曲线、温度分布及不同方向的温度梯度变化趋势，为激光沉积修复组织的形成和缺陷成因的研究提供了理论依据。对激光沉积修复TA15钛合金的组织特征进行了系统的研究，研究了不同的激光工艺参数下单道熔凝、单道多层和多层多道试样的宏观形貌和微观组织，从而得到最优的工艺参数，并应用于钛合金结构典型损伤（孔损伤、面损伤和槽损伤）和梯度功能试样修复中。采用温度场模拟结果和近快速凝固理论对激光沉积钛合金组织形成机理进行了分析。考察了激光沉积修复TA15钛合金试样的微观组织特征，发现激光修复区组织具有典型的外延生长特征，组织主要由粗大的β柱状晶组成，宽0.5mm～1.5mm，高1mm～5mm。晶内为典型的网篮组织，在扫描电镜下清晰可见激光修复区具有十分细小的α/β片层组织，晶内α片层取向随机，宽约0.4～0.5μm。热影响区组织是由基材的双态组织过渡到网篮组织。由于激光沉积快速熔凝特性，修复层内成分分布均匀，无宏观偏析；沉积修复层和基材之间呈现致密冶金结合，无明显的气孔和裂纹。对激光沉积修复梯度功能试样的组织进行了分析，发现原位自生的TiC颗粒增强相均匀弥散分布在基体中，从基材到梯度试样顶层分别呈现粗大树枝晶、较大的颗粒状晶体、相对细小的颗粒状晶体形态。为了调控激光沉积修复钛合金的组织，提出将电磁搅拌引入修复过程，进行了磁场辅助下激光沉积修复实验，探索在激光工艺参数一定情况下，不同搅拌速率和磁场强度对TA15激光沉积修复区组织和性能的影响。研究结果表明在一定范围内加大搅拌速率和提高磁场强度，可使α片层组织的长径比减少，片层组织更加细密，且显微硬度有所提高。激光修复试样的硬度分布由基材经由热影响区至修复区，硬度依次提高。孔修复试样室温平均抗拉强度为974MPa，退火前后其抗拉强度变化不大，比工业用TA15钛合金的下限稍高，但是塑性与锻造件相当。而对于不同修复尺寸的槽损伤修复试样的冲击性能试验显示，修复件的冲击韧性要比锻件基材有所下降。但槽修复试样的室温静拉伸试验表明，修复基体和修复区的结合强度较高。激光沉积修复梯度功能层中由于原位合成的TiC弥散强化和激光沉积的细晶强化作用，较TC4基材表现出优异的耐磨性能，磨损率显著降低。
【作者】钦兰云；
【导师】王维；
【作者基本信息】沈阳工业大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】钛合金；激光沉积修复；电磁搅拌；温度场；组织特征；

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