激光多层熔覆自动化修复单晶涡轮叶片的关键技术研究

单晶涡轮叶片是现代涡轮发动机的关键部件，其修复技术具有巨大的技术经济价值。相比于传统的手工电弧焊的修复技术，激光熔覆修复技术，由于其更精确的能量输入和更好的可控性，因此更加适合于高性能材料、复杂形状零件的自动化修复。本研究以单晶叶片激光多层熔覆修复技术为核心，同时探索与其密切相关的三维测量与数字化修复技术。通过构建物理模型和数值计算的方法，揭示激光多层熔覆连续生长单晶超合金材料的物理规律；与实验相结合，建立最优熔覆工艺参数的匹配原则，为单晶叶片的修复工艺与实时反馈控制提供理论依据；利用条纹投影和相移法的高精度快速测量方法，为叶片的自动化修复提供可靠的三维形状测量数据与路径规划。通过本研究，将进一步确立和完善单晶超合金激光多层熔覆修复技术的基本理论和基本方法,为数字化、自动化、智能化修复技术的工业应用提供有效的科学依据与技术支持。

本研究采用数值模拟和试验相结合的方法，系统地研究了激光送粉熔覆镍基单晶合金过程中的物理传输现象以及熔池内晶体生长的机理和微观组织的分布，并分析工艺参数对柱状枝晶-等轴晶转变（CET）的影响。采用Fortran语言编写了三维瞬态数值模型运算程序，动态地模拟激光单道和多层同轴送粉熔覆镍基单晶合金过程中传输现象，例如激光粉流相互作用、温度场、熔池大小、液态金属流动、熔覆层与层之间的重熔等物流现象。与镍基合金晶体生长模拟进一步耦合，计算分析了激光熔池内从柱状晶到等轴晶转变以及微观组织分布的规律。通过模型的数值计算结果和试验结果对比，研究了激光单晶熔覆过程中的主要参数，如激光功率、扫描速度、送粉量、基材单晶方向、喷嘴倾角以及预冷却等，对熔覆层单晶结晶生长方向和微观组织形成的影响规律。通过优化工艺参数和设计工艺辅助手段，实现了激光多层熔覆过程中单晶组织连续生长，为激光修复单晶涡轮叶片受损叶尖提供了理论和技术支撑。