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超薄变宽涡轮叶片激光内送粉修复成形闭环控制

超薄变宽涡轮叶片激光内送粉修复成形闭环控制

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作者：庄锐苏州大学

学位级别：硕士

薄壁变宽度涡轮叶片多存在于航空发动机、汽车发动机中等,工程应用中针对该类零件的修复成形多采用传统方法,典型的为多道搭接工艺方法,其缺陷主要为重复加热,效率和精度较低。激光内送粉熔覆技术是一种新型的表面改性技术,具有成形复... 详细信息

薄壁变宽度涡轮叶片多存在于航空发动机、汽车发动机中等,工程应用中针对该类零件的修复成形多采用传统方法,典型的为多道搭接工艺方法,其缺陷主要为重复加热,效率和精度较低。激光内送粉熔覆技术是一种新型的表面改性技术,具有成形复杂零件、修复成形精度高、性能优异等优势,可实现复杂薄壁件的直接近净成形与修复。基于激光光内送粉熔覆喷头,探究了不同的喷粉管对粉末分布状态的影响。研究了中空环形激光光斑的能量分布以及光粉耦合特性,得到结论:光包粉时光粉耦合特性最佳。进行多组单因素单道实验,结果表明:激光功率对熔道宽高的影响相对较大,由于光斑直径显著影响熔道宽度,因此为更加贴合变宽结构件,激光修复时需随形连续改变环形光斑的大小,即离焦量的大小;扫描速度对高度的影响大于宽度。本文提出了分段逼近拼接技术,各段匹配不同的工艺参数,建立多工艺参数下的不等宽熔道数学模型,得出变宽成形参数匹配方案。在实验室自主研发的CCD层高控制系统基础上,成形过程中引入了速度PI控制器模型,通过基础熔覆实验,调试出控制器较好的比例系数与积分系数,可得到扫描速度的修正公式。设计了直墙熔覆实验来验证控制器的稳定性,表明加入控制器的闭环反馈高度控制系统较为稳定,实验成形的精度较高。针对最薄处基体壁厚薄(0.2 mm)、散热慢、难以修复成形的问题,设计了可通冷却水的紫铜板散热装置,缓解了热量积累问题,保证了修复成形的完整与稳定。针对超薄变宽叶片以及薄壁变宽扭曲涡轮叶片设计相应的控制器,实验观察高度控制曲线均能收敛于期望高度,实体件表面较为平整,修复层与叶片基体结合较好。直线受损和曲线受损两种形式的损伤叶片的修复区侧壁平面度较好,沿叶片基体变宽过渡平缓。对修复件进行了检测分析:熔覆层硬度平均范围在306.4 HV～384.9 HV,高于基体硬度;熔覆层组织整体致密均匀,无明显缺陷;室温拉伸试样在基体处发生断裂,最大抗拉强度达1091 Mpa,断后延伸率达11.5%,进而证明熔覆层与基体结合较好。熔覆区断口形貌具有典型的韧性断裂特征,激光熔覆后零件具备良好的力学性能。

关键词：激光修复成形光内送粉闭环控制变宽熔覆

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