航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复与熔覆过程的温度场数值模拟

摘要

本文采用自配镍基合金粉末对航空发动机叶片铸造缺陷进行激光熔覆修复，对激光熔覆修复的最佳工艺参数、熔覆层的组织结构和性能、Y2O3和硅、钠、钾复合变质剂对熔覆层开裂敏感性的影响进行了研究。采用大型有限元软件ANSYS对激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟。 结果表明，当P=1.5kW，V=180、190mm/min，d=3～4mm，Y2O3含量为1.5wt.％时，激光熔覆修复铸造缺陷叶片质量最佳。在最佳工艺参数下同时加入1.5wt.％Y2O3和3wt.％复合变质剂可进一步的改善熔覆层的组织。当Y2O3含量低于或高于1.5wt.％和单独加入复合变质剂时熔覆层均有裂纹或孔洞产生。 当单独加入Y2O3时，在固定其它工艺参数的条件下，随着扫描速度的增大，熔覆层的平均显微硬度逐渐的升高。当V=180、190、200、210mm/min时，熔覆层的平均显微硬度分别为414HV0.1，431.5HV0.1，456.25HV0.1，476.2HV0.1。当单独加入复合变质剂时熔覆层平均显微硬度约为375HV0.1。同时加入Y2O3和复合变质剂的熔覆层的显微硬度高于单独加入复合变质剂的熔覆层，与单独加入Y2O3熔覆层显微硬度相差不大，熔覆层的平均显微硬度值约为430HV0.1左右。 借助OM、SEM、TEM、EPMA、EDS等分析手段，研究了叶片修复熔覆层的组织结构。熔覆层内原位析出微米或亚微米白色颗粒相，原位析出相主要分布于晶界。熔覆层中的组成相为基体相γ-Ni，六方结构的W2C、MoC，还可能包括面心立方TiC。在原位析出相与熔覆层基体相界面附近存在大量的位错缠结。 温度场数值模拟结果表明，在激光熔覆的初始阶段，激光束加热的区域温度从初始温度迅速上升，0.49s时的最高温度2939℃。激光熔覆温度场在1s时间内可达到准稳态阶段。准稳态阶段温度场的分布受边界条件和激光束热流密度的影响，各个节点有基本相同的热循环曲线，只是时间的前后不同。在准稳态阶段，温度场的最高温度，熔池深度随时间的推移增加，但变化幅度不大。1.03s时温度场最高温度为3213℃，10.05s时温度场最高温度为3354℃，17.1s时温度场最高温度为3380℃。在从1.03s到17.1s的时间内温度场最高温度仅仅上升了167℃。在最后阶段，温度迅速上升，如在17.85s时温度场的最高温度却迅速上升到3623℃，同时熔池的熔深也明显的增大。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章实验方案及研究方法

第三章熔覆层的组织结构及性能

第四章Y2O3和复合变质剂对熔覆层开裂敏感性的影响

第五章激光熔覆过程温度场数值模拟

第六章结论

参考文献

附录

致谢

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