《高熵合金渦輪葉片雷射直接3D製造機理研究》是依託西安交通大學，由張航擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高熵合金渦輪葉片雷射直接3D製造機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張航
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高性能葉片製造技術一直是國家發展的戰略核心。國際第五代航空發動機推重比高達15-20，其使用溫度逼近1900℃，遠超現有高溫合金的熔點，從而對葉片材料的耐溫性和高溫性能提出了更苛刻的要求。為此，葉片的冷卻結構極其複雜，給傳統製造技術帶來巨大挑戰。而高熵合金具有優異的耐溫、高比強等性能，是未來葉片材料的發展方向；但其熔化溫度極高(2500℃以上)且偏析及殘餘應力嚴重，難以鑄造成形。本項目提出基於雷射直接3D製造技術成形高熵合金葉片，重點研究金屬粉末熔化過程中，雷射高能衝擊對熔池傳熱、流動和形態的影響，考慮溶質均勻化擴散強調不同元素的等摩爾比控制；深入探討高熵合金微熔池的凝固機理，解釋原子團簇沉積對組織生長、緻密度和熔池連續性的影響；分析雷射直接成形對高熵合金晶格畸變及原子遲滯擴散的促進從而對綜合性能的積極作用。揭示雷射直接3D製造高熵合金空心葉片機理，為高性能葉片製造提供實驗數據和理論支持。
結題摘要
高性能葉片製造技術一直是國家發展的戰略核心。目前國際先進航空發動機渦輪進口溫度接近1900℃，高性能渦輪葉片的材料耐溫更高、結構更複雜，因此渦輪葉片的材料和成形工藝即為亟待解決的關鍵問題。本項目提出基於雷射增材製造的新型高熵合金渦輪葉片製造研究。高熔點高熵合金熔點高達2800℃以上，通過高熔點原子固溶及置換使晶格發生畸變，從而具有的高溫強度、抗腐蝕性等性能均優於現有鎳基高溫合金和常見超級鋼材料；目前該合金主要採用真空電弧熔煉方式加工，形成簡單柱坯形狀，採用常規加工手段無法成形複雜構件，同時存在巨觀偏析、局部原子團簇，影響性能等問題。 本項目以高熔點高熵合金雷射直接3D成形為依託，形成了WNbMoTa高熔點高熵合金材料體系，提出了高熔點高熵合金雷射直接3D成形機理，實現了混粉、冶金與成形同步完成的高熔點高熵合金成形思路，獲得了組織均勻、性能優異的高熵合金雷射直接成形樣件；提出了塑性元素添加的方法，改善了成形件開裂和空隙缺陷，進一步提高了成形件高溫力學性能。高熔點高熵合金雷射直接成形的材料和加工工藝實驗成本較高，本項目針對性提出雷射直接成形過程的計算機數值模擬仿真。採用移動的嵌套格線技術大幅降低了雷射連續製造過程計算量巨大的科學難題，真正實現了連續過程的溫度場模擬，進而耦合有限差分-有限元方法（FD-FE）方法實現了雷射增材製造過程的應力應變模擬，判斷了翹曲發生位置。結合實驗及模擬輔助工藝最佳化研究，提出了雷射直接成形WNbMoTa系高熔點高熵合金的成套方案，並初步實現了具有複雜結構的渦輪葉片試驗件製造。獲得的高熵合金樣件在1000℃條件下具有803MPa的高溫強度，大幅提高了航空發動機渦輪葉片服役溫度，並可簡化複雜內腔結構設計，簡化傳統葉片製造工藝。該技術預期能夠用於航空/燃氣渦輪發動機葉片、高超聲速飛行器鼻錐、核島支撐裙等關鍵部件等高端裝備製造。
