镍基单晶高温合金的激光成形工艺及其计算模拟

摘要

使用复杂型腔单晶高温合金涡轮叶片已经成为提升航空发动机和燃气轮机整体性能的关键手段，但沿用传统熔模精密铸造技术制备涡轮叶片工序繁冗复杂，周期较长，且不能随意设计内部冷却型腔结构。金属材料的激光3D打印技术以其独特的工艺特点为复杂型腔涡轮叶片的制备提供了一种新途径。然而，这项技术目前尚未取得突破性进展。为了促进该技术在工程上取得实质性进展，本文将实验研究与计算模拟相结合，针对激光成形单晶高温合金中面临的关键问题，发展了相应的实验研究方法并建立了相关的理论模型。主要内容包括:
　　(1)利用C语言开发了一个扫描路径生成软件，可以根据输入的激光成形参数自动生成激光成形所使用的数控代码。基于这个软件，可以对激光成形的工艺参数实现完整的控制，并满足特定工艺设计需求。
　　(2)提出了一种矢量化算法，基于该算法，从理论上研究了基材晶体取向对单晶高温合金表面重熔过程中的温度梯度、枝晶生长速度、杂晶形成倾向性的影响。并开展了理论预测与实验结果的对比研究。结果表明该算法可以较为准确地预测枝晶生长方向，并可以初步预测重熔组织中的杂晶形成的倾向性。
　　(3)将上述矢量化算法与有限元软件相结合，研究了激光扫描速度对单晶高温合金重熔组织的影响。结果表明，重熔组织外侧存在一层平界面凝固组织，该平界面层的厚度以及一次枝晶间距均随扫描速度的增加而减小。基于计算模拟得到的凝固参数，获得了一次枝晶间距计算公式中的常数项。此外，本文还提出了预测平界面厚度的计算模型。
　　(4)提出了一种基于激光重熔结果筛选激光熔覆单晶工艺的方法。该方法中，激光重熔是独立于熔覆过程而存在的，重熔得到的显微组织是制定激光熔覆工艺的依据;如果激光重熔中存在大量杂晶，不建议使用这种工艺制备单晶。然后，基于重熔工艺得到的合适工艺参数，使用激光熔覆制备单晶高温合金。激光熔覆所设定的工艺参数使每一层的杂晶在下一层的熔覆过程中重熔，从而得到与基体晶体取向一致的枝晶与单晶组织。
　　(5)首次发现了激光3D打印成形样品中枝晶的偏转现象，EBSD的测试结果表明这种枝晶偏转带来的晶体学取向变化超过20°，破坏了单晶取向的一致性。结合理论计算的研究结果表明，枝晶弯曲现象归因于表面张力驱动的熔池对流所导致的枝晶迎流生长。根据迎流生长的特点，给出了适当增加熔覆层厚、提高搭接区域占比的解决方案，并成功地抑制了枝晶偏转及其晶体取向变化。
　　(6)在有限元软件中建立了激光熔覆过程实时模拟模型，并提出了一种金属材料激光成形过程的原位预热方法。该方法是通过控制激光成形过程的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间等参数，实现加工过程的原位预热。这种原位预热方法，不需要额外设计电阻加热或感应加热装置，便可实现超过1000℃的预热。基于这种原位预热方法，成功制备了较大尺寸、无裂纹、无热处理再结晶的单晶高温合金块体试样。
　　(7)对激光成形单晶与传统定向凝固制备单晶的组织及性能进行了对比分析。结果表明，固溶处理使得激光成形单晶的γ'相形貌变得不规则。经过固溶及时效后，激光成形单晶合金中γ'相尺寸偏大、体积分数偏低，由此导致了激光成形单晶的屈服强度和抗拉强度均略低于定向凝固的单晶合金，但激光成形单晶合金的塑性较好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镍基单晶高温合金

1．1．1 镍基单晶高温合金的定义

1．1．2 单晶生产工艺及其理论基础

1．2 激光成形技术概述

1．2．1 激光重熔与激光熔覆成形

1．2．2 工艺参数对激光成形的影响

1．2．3 扫描路径规划的研究现状

1．2．4 激光成形过程的计算模拟

1．3 单晶高温合金的激光成形

1．3．1 激光成形单晶高温合金的应用前景

1．3．2 激光成形单晶高温合金的微观组织

1．4 本研究工作的目的、内容及意义

第2章 扫描路径规划及软件实现

2．1 引言

2．2 基本操作的数控代码生成

2．2．1 生成单次操作的数控代码

2．2．2 生成多次操作的数控代码

2．3 打印前预热过程的扫描路径

2．3．1 生成简单扫描的预热代码

2．3．2 生成扫描方向可变的预热代码

2．4 打印过程的扫描路径

2．4．1 生成打印代码的框架流程

2．4．2 生成简单扫描的打印代码

2．4．3 生成扫描方向可变的打印代码

2．5 本章小节

第3章 单晶高温合金的激光重熔组织

3．1 引言

3．2 基材晶体取向对枝晶生长行为的影响

3．2．1 传热模型与基本凝固参数

3．2．2 枝晶生长方向的矢量化算法

3．2．3 晶体取向对枝晶生长方向的影响

3．2．4 晶体取向对凝固参数的影响

3．2．5 晶体取向对成分过冷引起的杂晶形成倾向性的影响

3．3 [100]／(001)取向的重熔组织及计算模拟

3．3．1 计算模型及实验方法

3．3．2 凝固界面的形状尺寸及传热

3．3．3 枝晶的生长方向及凝固参数

3．3．4 成分过冷引起的杂晶形成倾向性

3．4 [7(1)0]／(001)取向的重熔组织及计算模拟

3．4．1 计算模型及实验方法

3．4．2 枝晶的生长方向及凝固参数

3．4．3 一次枝晶间距的计算方法

3．4．4 平界面凝固的层厚计算方法

3．5 本章小结

第4章 单晶高温合金的激光熔覆工艺

4．1 引言

4．2 基于表面重熔制定的单晶打印工艺参数

4．2．1 不适宜参数的重熔排除

4．2．2 层厚和道次间距的选取方法

4．3 激光成形中的枝晶偏转及其控制方法

4．3．1 激光成形中的枝晶偏转现象

4．3．2 熔池对流对枝晶偏转的影响

4．3．3 枝晶偏转的控制方法

4．4 激光成形过程的实时模拟

4．4．1 打印前预热过程的实时模拟

4．4．2 激光熔覆过程实时模拟

4．5 实时模拟在激光成形中的应用

4．5．1 激光成形过程原位预热的实现方法

4．5．2 原位预热对激光成形高温合金的影响

4．6 激光成形单晶的显微组织及其力学性能

4．6．1 实验方法

4．6．2 微观组织及缺陷

4．6．3 热处理对单晶中γ’相的影响

4．6．4 室温拉伸性能

4．7 本童小结

第5章 全文结论

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢

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