脉冲电流辅助激光快速成形镍基高温合金的工艺研究

摘要

激光快速成形(Laser Rapid Prototyping, LRP)适用于航空航天领域高性能复杂结构、大型整体金属零件的快速制造要求。激光熔覆成形(Laser Cladding Forming, LCF)可快速制造出具有复杂外形的全密度金属零件,是快速成形领域具有广泛应用前景的金属直接制造技术之一。然而,激光熔覆成形金属时常出现孔隙、力学性能不足等缺陷,难以满足工业实际应用。而脉冲电流可有效减少常规凝固过程中的一些缺陷。为此,本文首次提出将脉冲电流引入激光熔覆过程,对熔池施加电磁影响,以期获得缺陷少、性能佳的激光熔覆成形件。本文以广泛应用于航空航天发动机材料的镍基高温合金为研究对象,主要完成了以下研究工作:
　　1、研究激光熔覆的理论基础,包括激光与材料的相互作用、液相熔覆的条件以及金属粉末激光熔覆的过程。此外,还研究了脉冲电流凝固细晶原理,主要包括趋肤效应、增加过冷度假说、磁致收缩效应以及碎断枝晶假说等,为后续的仿真及分析提供有效的理论支撑。
　　2、为了探索交变电流在矩形截面导体中的流动情况,利用有限元法在ANSYS环境中模拟了不同厚宽比、不同频率下的电流分布。从仿真结果可以发现,厚宽比大于1的情况下,电流分布更适合于脉冲电流辅助激光熔覆试验。此外,当交变电流频率增加时,基体表面的最大电流密度也随之增加,这将有利于更好地将电流作用于激光熔覆的熔池。
　　3、搭建了脉冲电流辅助激光熔覆装置,开展了脉冲电流辅助激光熔覆工艺试验研究。在此基础上,还完成了脉冲电流辅助激光熔覆成形件的制作,并制成拉伸样件进行抗拉强度测试,与无电流辅助激光熔覆成形件进行对比。
　　4、对脉冲电流辅助激光熔覆试验结果进行分析,主要着眼于三个方面:熔覆层孔隙、等轴晶分布及尺寸、晶界MC碳化物分布及尺寸。试验结果显示:(1)孔隙的减少主要由于电磁力对熔池的压缩作用;脉冲电流的均值和频率的增加均有明显的减少孔隙作用,而占空比则影响不大(2)脉冲电流的引入使得形核时过冷度增加,增加形核率,减小了晶粒尺寸;脉冲电流均值和频率的增加以及占空比的下降均有助于减小等轴晶尺寸;直流电流由于对熔池存在持续的加热作用,会使晶粒变粗大。(3)脉冲电流的引入会减小MC碳化物尺寸,减少草书体状或链状MC碳化物的存在,这将有利于镍基高温合金的高温疲劳性能的提升。力学拉伸试验结果表明,脉冲电流辅助激光熔覆成形件的力学拉伸性能有一定程度的提高,证明其晶粒得到细化。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 快速成形技术概述

1.3 激光熔覆成形（LCF）技术

1.4 脉冲电流凝固细晶技术

1.5 本课题的主要研究内容

第二章 脉冲电流辅助激光快速成形的理论基础

2.1 激光熔覆的理论基础

2.2 脉冲电流凝固细晶原理

2.3 本章小结

第三章 矩形导体的交变电流电场仿真

3.1 ANSYS电磁场仿真

3.2 理论解释与仿真过程

3.3 仿真结果与分析

3.4 本章小结

第四章 脉冲电流辅助激光快速成形试验及测试

4.1 试验总体规划

4.2 试验设备及方法

4.3 试验结果与测试

4.4 本章小结

第五章 脉冲电流辅助激光快速成形试验结果及分析

5.1 脉冲电流影响单道激光熔覆层孔隙分析

5.2 脉冲电流影响单道激光熔覆层组织分析

5.3 单道激光熔覆层晶界碳化物分析

5.4 多道激光熔覆成形件力学性能测试及分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文完成的主要工作

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文