旋轉磁場下鈦合金雷射沉積層組織演變規律研究

《旋轉磁場下鈦合金雷射沉積層組織演變規律研究》是依託瀋陽航空航天大學，由楊光擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：旋轉磁場下鈦合金雷射沉積層組織演變規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊光
• 依託單位：瀋陽航空航天大學

項目摘要

雷射沉積製造技術在航空發動機鈦合金整體葉盤、機匣、加強框等航空關鍵零件的製造中有著廣闊的套用前景。但在雷射沉積過程中，材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快條件下進行，致使零件質量和綜合力學性能難以實現精確控制。本項目提出旋轉磁場輔助鈦合金雷射沉積修復技術，即利用電磁攪拌能引起雷射熔池內特定運動規律的混合對流，從而加速傳能、傳質及動量傳遞，均化溫度場和熔質，起到細化晶粒、抑制成分偏析和鬆弛雷射快凝過程的內應力，消除裂紋、氣孔等缺陷的作用。在發明永磁式電磁攪拌裝置的基礎上，系統地研究雷射沉積過程中缺陷的產生規律、金屬熔體中磁場-電流-洛倫茲力之間作用機制及電磁場對熔池凝固的能量、動量和質量傳遞過程的影響規律；通過對電磁場下雷射熔池凝固行為及微觀組織演變的觀察，進一步揭示電磁攪拌對雷射熔池的凝固行為及其組織演化的影響機理，為精確控制雷射沉積層組織和力學性能提供理論基礎。

結題摘要

雷射沉積製造技術在飛機加強框、梁和航空發動機整體葉盤、機匣等航空關鍵鈦合金零件的製造中有著廣闊的套用前景。但在雷射沉積過程中，材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快條件下進行，致使零件質量和綜合力學性能難以實現精確控制。 本項目提出旋轉磁場輔助鈦合金雷射沉積技術，主要研究永磁式電磁攪拌器，主要包括根據永磁魔環原理強磁體布置設計、磁場強度調節裝置和旋轉磁場速度調節裝置以及與雷射沉積製造設備的集成耦合；研究線圈式電磁攪拌器，主要包括電磁線圈設計、變頻電源設計等。通過有限元和物理仿真方法研究旋轉磁場對雷射沉積溫度場、熔池流場及凝固過程影響機制，揭示了電磁參數對溫度峰值、溫度梯度及溫度分布等影響規律，對熔池內熔質流動的影響。電磁攪拌作用使雷射沉積峰值溫度下降約10%，溫度梯度減小，加速熔池內熔質的流動，使熔池內溫度易於傳遞，均勻化熔池內溫度，改變了凝固速度和溫度梯度的比值，進而影響了凝固條件，可雷射沉積的外延生長的柱晶組織向等軸晶轉變成為可能，工藝試驗實現了整塊沉積樣品全部為等軸晶也支持上述理論分析結果。電磁攪拌輔助雷射沉積減小了溫度梯度進一步減小了成形過程中的應力，與未施加電磁場相比殘餘應力減小約20%，使製件的精度進一步提高。其次電磁作用下雷射熔池流動得以控制，使氣孔有條件和時間溢出，電磁作用下應力的釋放又降低微裂紋產生的機率，因此通過電磁攪拌可以有效控制缺陷的產生。因雷射沉積為高能雷射循環快速加熱冷卻，即使有電磁攪拌製件也會有較大的殘餘應力，組織和性能還需要後續熱處理來調控，因此本項目還研究了鈦合金雷射沉積製件熱處理工藝，研究了加熱溫度、保溫時間和冷卻方式對雷射沉積製造組織、拉伸性能的影響，分析了拉伸斷口揭示了alpha相變形機制。 本項目取得的重要成果成功套用於某型隱身戰機鈦合金零件的雷射沉積製造和某弄航發機匣雷射沉積修復，具有重要的科學意義和工程套用價值。