激光近净成形金属三元叶轮叶片实验研究

摘要

三元叶轮是航空发动机、大型压缩机等透平机械的核心部件，随着对透平机械性能要求的提高，三元叶轮的形状也更加复杂，主要体现在叶片扭曲更大、厚度更薄、间隔更小，这给三元叶轮的加工带来了极大的困难。目前，三元叶轮主要采用多轴铣削以及数控电火花等减材加工方式进行制造，加工过程中材料去除量大，材料浪费严重且加工周期较长。激光近净成形技术是一种新型增材制造技术，能够实现各种高性能、复杂零件的快速、无模具、高致密近净成形，采用激光近净成形方式进行三元叶轮成形为实现其短周期、低成本制造提供了工程参考，尤其对于实现大型受损叶轮的快速修复具有重要价值。
　　本文以某三元叶轮中的单个叶片为成形目标，通过开展基础工艺实验，给出叶片成形所需的合理工艺参数，然后针对其大倾斜、大扭转的结构特征，提出了一种光束与垂直方向预设夹角的成形方法，通过开展倾斜薄壁结构成形实验，探究预设夹角的选择依据，最后，采用预设夹角方法进行叶片成形并对其成形精度进行检测，主要研究内容如下:
　　(1)开展单道激光熔覆正交实验，研究工艺参数对熔覆层形貌的影响关系，获得合理工艺参数范围;建立竖直薄壁成形Z轴提升量模型，并通过开展竖直薄壁成形实验验证模型的正确性，选择合理的Z轴提升量。
　　(2)在光束垂直照射条件下，开展倾斜薄壁结构成形实验，探究倾斜薄壁结构倾斜极限;提出一种光束与垂直方向预设夹角的成形方法，在预设夹角条件下开展不同倾斜薄壁结构成形实验，给出预设夹角的选择依据，并采用预设夹角的方式成形倾角连续变化的扭转薄壁结构，验证预设夹角选择依据的正确性。
　　(3)根据叶片倾角大小对叶片进行分段，给出分段叶片预设夹角的最佳选择，并开展整体叶片成形实验;扫描得到实际成形叶片的三维扫描模型，拾取扫描模型在特定位置处的扫描型线，并将其与设计型线进行对比，判断叶片后续加工余量大小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 三元叶轮叶片

1．1．1 三元叶轮叶片概述

1．1．2 三元叶轮叶片加工方法及存在的问题

1．2 激光近净成形技术

1．2．1 激光近净成形技术概述

1．2．2 激光近净成形金属结构件国内外研究现状

1．2．3 激光近净成形三元叶轮叶片存在的难点

1．3 本课题研究内容

2 激光近净成形实验条件及基础工艺实验

2．1 激光近净成形实验条件

2．1．1 激光近净成形系统

2．1．2 实验材料选取

2．2 激光近净成形基础工艺参数选择

2．2．1 单道单层激光熔覆正交实验分析

2．2．2 Z轴提升量数学模型

2．2．3 Z轴提升量验证实验

2．3 本章小结

3 激光近净成形倾斜薄壁结构实验研究

3．1 光束垂直照射条件下倾斜薄壁结构成形实验

3．1．1 倾斜薄壁结构倾斜角度数学模型

3．1．2 光束垂直照射条件下倾斜极限探究

3．2 预设夹角条件下倾斜薄壁结构成形实验

3．2．1 预设夹角方法实验原理

3．2．2 实验方案设计

3．2．3 倾斜角成形精度分析

3．3 扭转薄壁结构激光近净成形实验

3．3．1 扭转角与倾斜角关系模型

3．3．2 实验方案设计

3．3．3 扭转角成形精度分析

3．4 本章小结

4 三元叶轮叶片激光近净成形实验

4．1 叶片模型前处理

4．1．1 成形基座添加

4．1．2 加工代码生成

4．1．3 叶片模型角度计算及分段

4．2 三元叶轮叶片成形实验

4．2．1 叶片分段成形

4．2．2 叶片整体成形

4．3 叶片成形精度分析

4．3．1 叶片检测方法

4．3．2 叶片表面加工余量分析

4．4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢