激光沉积成形12CrNi2合金钢工艺优化与疲劳行为研究

摘要

随着我国核电占比的增大，保障核电的安全运行对我国核电行业的进一步发展至关重要。核电应急柴油机组是保障核电安全运行的关键机组之一，其重要组成部件核电应急柴油机轴传统加工方法为锻造、铸造，制造周期长、依赖国外进口，寻求一种更加高效精密的制造方法迫在眉睫。激光沉积技术作为一种新兴制造技术，凭借高精度、高效率、高材料利用率广泛应用于核电、航空航天等领域。　　激光沉积过程反复的热输入会在沉积层中产生较大的热应力，进而引起基体变形，如何控制激光沉积过程中较大的变形是目前面临的一大挑战。本文以12CrNi2合金钢为实验材料，利用激光位移传感器研究激光沉积过程中基体的变形规律，优化工艺参数以获得变形量小、高致密度的试件，并分析了沉积试样的微观组织、致密度和力学性能。通过旋转弯曲疲劳实验、疲劳裂纹扩展实验评估沉积态试样的疲劳性能，以确保满足核电应急柴油机凸轮轴的运行工况。主要研究内容及结果如下：　　(1)设计并搭建了基体变形测量系统，研究了工艺参数对基体变形量的影响。以获得变形量小、高致密度试样为目标，优化工艺参数。扫描速度、送粉速度、扫描方式对基体变形量影响较大，激光功率对基体变形量影响较小。优化后的工艺参数为激光功率2700W、扫描速度280mm/s、送粉速度13.0g/min、搭接率40%。　　(2)研究了不同扫描方式对激光沉积试样的微观组织和力学性能的影响。单向扫描和交叉扫描试样组织均主要为贝氏体。单向扫描抗拉强度和延伸率分别为1011MPa、9.64%，交叉扫描抗拉强度和延伸率分别为1038MPa、7.42%。单向扫描和交叉扫描试样平均致密度分别为99.0%、98.5%。　　(3)探究了扫描方式对激光沉积试样疲劳强度的影响。单向扫描和交叉扫描试样旋转弯曲疲劳强度别为320MPa、200MPa，交叉扫描试样更高的孔隙率使得裂纹更容易萌生和扩展，使其疲劳强度显著降低。疲劳裂纹一般萌生于试样近表面、内部缺陷处，再向周围辐射扩展直至断裂。　　(4)研究不同扫描方式、缺口取向对激光沉积试样裂纹扩展速率的影响。结果表明，扫描方式相同时，垂直取向试样裂纹扩展速率大于水平取向试样。试样取向相同时，交叉扫描试样内部枝晶取向的复杂性使其在低应力强度因子(△K)区域具有更低的裂纹扩展速率，而更多的内部缺陷使其在高应力强度因子(△K)区域裂纹扩展速率更高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 激光沉积技术

1.2.1 激光沉积技术原理及优势

1.2.2 激光沉积技术面临的问题

1.3 激光增材制造技术工艺优化研究现状

1.4 激光沉积沉积层疲劳行为研究现状

1.4.1 激光增材制造疲劳寿命研究现状

1.4.2 激光增材制造疲劳裂纹扩展研究现状

1.5 论文主要研究内容

第二章 实验材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 激光沉积实验

2.2.2 基体变形测量

2.3 沉积层组织和基础力学性能分析

2.3.1 沉积层金相组织观察

2.3.2 沉积层物相分析

2.3.3 致密度测试

2.3.4 硬度测试

2.3.5 拉伸测试

2.4 沉积层疲劳性能测试方法

2.4.1 旋转弯曲疲劳试验

2.4.2 疲劳裂纹扩展试验

第三章 激光沉积12CrNi2合金钢工艺优化

3.1 单道沉积层工艺参数

3.2 激光沉积过程基体变形规律

3.2.1 单层多道激光沉积基体变形规律

3.2.2 多层多道激光沉积基体变形规律

3.3 激光沉积工艺参数对基体变形量的影响

3.3.1 激光功率对基体变形量的影响

3.3.2 扫描速度对基体变形量的影响

3.3.3 送粉速度对基体变形量的影响

3.3.4 扫描方式对基体变形量的影响

3.4 本章小结

第四章 激光沉积12CrNi2合金钢组织与力学性能

4.1 12CrNi2 合金钢沉积试样微观组织

4.2 12CrNi2 合金钢沉积试样致密度

4.3 12CrNi2 合金钢沉积试样力学性能

4.3.1 沉积试样拉伸性能

4.3.2 沉积试样硬度分布

4.4 本章小结

第五章 激光沉积12CrNi2合金钢疲劳行为

5.1 旋转弯曲疲劳寿命

5.1.1 单向扫描方式的旋转弯曲疲劳寿命

5.1.2 交叉扫描方式的旋转弯曲疲劳寿命

5.2 疲劳裂纹扩展速率

5.2.1 单向扫描方式的疲劳裂纹扩展速率

5.2.2 交叉扫描方式的疲劳裂纹扩展速率

5.3 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及专利