燃氣輪機葉片激光增材修復基礎(chǔ)研究.pdf

1、K435鑄造鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫性能，廣泛應(yīng)用在燃氣輪機的渦輪葉片和導向葉片。葉片制備工藝復雜，使用環(huán)境苛刻，使其在鑄造過程、機械加工過程和使用過程中都可能出現(xiàn)缺陷使葉片報廢。因此，如何實現(xiàn)對葉片高質(zhì)量修復一直是燃氣輪機和航空航天發(fā)動機亟需解決的難題。激光增材技術(shù)屬于一項先進制造技術(shù)，可實現(xiàn)對精密復雜零部件結(jié)構(gòu)尺寸和力學性能的恢復，同時對母材影響較小。然而，目前對激光增材技術(shù)共性問題的研究還有待加強，特別是激光、粉末和熔池這三者之

2、間相互作用過程的基礎(chǔ)研究，大多是從模擬和理論計算的角度展開，通過實驗直接觀測獲得的研究成果相對較少。為進一步發(fā)掘該技術(shù)的潛力，提高該技術(shù)的制備精度和成形質(zhì)量，對上述共性基礎(chǔ)問題的研究具有重要的研究意義和經(jīng)濟價值。
　　本文利用高速攝像，結(jié)合圖像處理的方法從不同角度分析了激光增材的全過程，其中包括：粉末束流空間濃度分布特點；激光和粉末相互作用過程；粉末和熔池相互作用過程等。通過對上述過程的綜合分析找到影響單道熔覆層表面粘粉的原因，結(jié)

3、合優(yōu)化后的工藝參數(shù)和力學性能測試，最終實現(xiàn)對 K435合金葉片葉隼固定面缺失尺寸的高精度修復。
　　通過分析粉末束流灰度圖像與送粉率之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了用粉末束流圖像灰度分布表征粉末束流濃度分布的方法。分析發(fā)現(xiàn)焦點附近區(qū)域橫截面粉末束流濃度分布呈典型高斯分布特征。載氣流量和同軸保護氣對粉末束流焦點位置的影響規(guī)律相反：載氣流量臨界值為5L/min，該值范圍內(nèi)流量越大，焦距越短。大于臨界值時，焦距基本不變；而同軸保護氣流量越大焦距越

4、長。載氣和同軸保護氣對粉末顆粒施加作用力方向和區(qū)域的不同是造成上述現(xiàn)象的根本原因。送粉速率對焦點位置影響不大，但該值越大，粉末的濃度分布梯度越大。
　　強烈激光輻照下產(chǎn)生的等離子體/金屬蒸汽帶來的反沖作用力會使粉末顆粒的飛行速度和軌跡發(fā)生很大變化。等離子體/金屬蒸汽在載氣作用下被吹到粉末顆粒飛行軌跡的正前方形成一個高亮的尾巴，稱之為“彗尾”?！板缥病钡闹赶?、長度分別與粉末顆粒的飛行方向、加速度的變化規(guī)律高度一致。功率密度越大，光粉

5、作用時間越長，上述現(xiàn)象就越明顯。粉末束流內(nèi)部受到激光輻照粉末顆粒的個數(shù)和面積受工藝參數(shù)的影響很大，尤其是氣體流量、離焦量、送粉率和粉末粒度分布等。
　　粉末顆粒落在液態(tài)熔池周圍的高溫半凝固區(qū)，且該位置的熱量不足以完全熔化粉末是形成粘粉現(xiàn)象的根本原因。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和添加輔助氣流等措施，改變?nèi)鄢芈淙朦c位置處的粉斑直徑相對熔池的大小，或是粉末顆粒落入熔池的位置，均可有效地降低粘粉程度。
　　在多層沉積過程中，沉積方向抬升量ΔZ

6、等于單道熔覆層的高度 h是保證激光和粉末相對熔池作用位置不發(fā)生變化的充要條件。如果ΔZ>h，隨沉積高度增加，會使熔覆過程無法順利進行；ΔZ　　K435合金激光增材修復后的界面結(jié)合強度高于母材。沉積層沿熔覆方向和沉積方向的抗拉強度分別為1530MPa和1350MPa，比母材（903MP