镍基高温合金纳秒脉冲激光制孔过程数值模拟研究

作     者：罗垚 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞盛永

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：激光加工 再铸层形成过程 数值模拟 纳秒脉冲激光制孔 镍基高温合金 

摘      要：镍基高温合金具有硬度高、强度大、耐高温及耐腐蚀等优良特性，被广泛用于制造航空发动机涡轮叶片。为了增强涡轮叶片的散热能力，通常在叶片上加工一系列的微通孔。但镍基高温合金切削力大、切削温度高、硬化现象严重，属于典型的难加工材料。因此，采用纳秒脉冲激光制孔技术加工镍基高温合金，该技术具有制孔速度快、成本低、效率高、变形小、适用性广等优点。纳秒脉冲激光制孔的速度很快，物理机制复杂，通过实验只能得到制孔结束后孔的形貌，难以准确获得制孔过程中发生的具体物理现象。本文通过数值模拟的方法，将对纳秒脉冲激光制孔过程中孔形貌演化，温度场、流动场演化过程等制孔机理进行研究。主要的工作如下所示： (1)建立DD3镍基高温合金纳秒脉冲激光制孔模型，该模型可以用来模拟纳秒脉冲激光制孔过程中三维温度场、流动场的演化过程，以及孔和再铸层的形成过程。通过典型算例，将模拟结果与实验结果进行对比，验证了程序及算法的可靠性。 (2)开展了纳秒脉冲激光制孔的数值模拟研究，得到了DD3镍基高温合金不同时刻温度场、流动场的演化过程，并研究了脉宽参数对于制孔过程的影响。得到如下结论：纳秒脉冲激光制孔时，孔内温度很高，孔壁温度分布不均匀，在孔壁上存在一层细薄的高温熔体。反冲压力是引起熔体流动的重要因素，且熔体流动速度很大。受表面张力影响，熔体表面会出现凸台和凹陷，导致制孔结束后孔壁不光滑。再铸层的形成是由热和力共同作用下形成的。纳秒脉冲激光制孔过程中，受开口处对流作用的影响，熔体会在开口处富集，导致再铸层在开口处较厚。脉宽对熔体流动和再铸层的形成有重要的影响，脉冲能量一定时，脉宽越小，熔体速度越大，流动越激烈，制孔过程中残余熔体越少，制孔结束后形成的再铸层厚度越小。