超声辅助钛合金激光沉积修复的复合机理及组织演变研究

Laser deposition repair（LDR）has a wide prospect on fabricating and maintaining the blisk and engine casing of the aero-engine key components. But LDR is a directional solidification process, during its fast melting-solidification process, thermal stress,transformation stress and shrinkage stress that form the deformation and cracks. Now, the microstructure evolution mechanism of LDR on titanium alloy is still on the texting stage which lacks necessary theoretical support. This project put forward which we can use supersonic vibration to assist the LDR on titanium alloy, which affect the solidification process of metallic melts and improve the microstructure and property after solidification. Base on inventing ultrasonic vibration equipment, the formation mechanism of both porosity and residual stress of artifacts are systematic studied, and the reduction law of both porosity and residual stress of artifacts are indicated under supersonic vibration, titanium alloy laser molten pool “small melt”quasi steady state process and the ultrasonic propagation charateristics, ultrasonic wave in the metal melt acoustic cavitation and acoustic streaming mechanism and effect on energy and mass transmittion in melt poll announces the melt pool solidification and organization evolution effect and mechanism of action of ultrasonic vibration on titanium laser deposition repair. Consequently it optimizes the organization and performance and provide theoretical foundation of improving the quality of LDR.

激光沉积修复在整体叶盘、机匣等航空发动机核心部件制造和服役维护过程中有着广阔的应用前景。但激光沉积修复过程是近定向凝固过程，组织粗大，且材料的快速熔化、凝固过程中必然产生热应力、相变应力、收缩应力，过大的应力集中会导致工件变形开裂。目前钛合金激光沉积修复微观组织演变机理仍处于实验室阶段，缺少必要的理论支持。本项目提出超声振动辅助钛合金激光沉积修复技术，即利用超声振动影响金属熔体凝固过程，进而改善凝固后的组织和性能。在发明激光沉积修复用超声振动装置的基础上，通过系统研究激光沉积修复工件的气孔和残余应力形成机理及超声振动下气孔和应力的消减规律、钛合金激光熔池“微小熔体”准稳态过程及其超声波传播特性、超声波在金属熔体声空化及声流作用机制及对熔池内部传能传质的影响，揭示超声振动对钛合金激光沉积修复熔池凝固和组织演变影响规律和作用机制，从而优化组织和性能，为改善钛合金激光沉积修复质量提供理论依据。

激光沉积修复工艺能显著缩短结构件制造周期、降低成本、提高性能，在航空航天用结构件修复方面具有广阔的应用前景。但激光沉积修复属于快速熔凝过程，导致修复结构产生较大残余应力，导致工件变形开裂。本项目开展了超声场作用下的激光沉积修复过程中熔池流场与超声场的复合机理研究，以及超声作用下的修复区组织演变规律及机制研究，为实现航空结构件的高质量修复与制造，提供理论支持和数据基础。完成了超声振动装置的设计与制造，并通过了超声辅助沉积修复的可行性实验。通过谐振频率确定、基本振幅测量及超声空化效应验证，确认了超声振动的实施效果。超声振动条件下的激光修复工艺实验表明，有振动的修复试件表面质量、显微组织、缺陷比例均好于无超声振动条件下的修复件。超声作用下激光熔池温度场/流场及熔池形貌的变化规律研究表明，超声能量对熔液具有周期性激振作用，使得熔池温度略有降低，熔池面积增大，熔宽增加，熔池深度减少。搭建了基于CCD和图像采集卡的激光熔池监控系统，完成了激光熔池形貌的标定试验。结果表明，熔池形貌几何尺寸随功率的增大而呈近似线性增大；熔池形貌几何尺寸与扫描速度呈负相关性，且长轴尺寸呈凸函数递减形式，短轴呈凹函数递减形式；送粉速率在一定范围内对熔池形貌几何尺寸的影响很小。完成钛合金液态熔池中超声波的空化结构特征及其效应研究，发现在超声振动作用下，钛合金熔池内部最大声压值为1.1MPa，远小于空化阈值，通过理论计算和物理实验验证得钛合金激光熔池内部并未发生空化效应。通过对孔修复后的基板残余应力平均减小约37%。完成了超声振动作用下激光修复显微组织演化规律研究，施加超声场可以细化修复区组织，降低粗大柱晶的平均尺寸，研究发现若超声参数与激光功率、扫描速度、送粉速度等工艺参数匹配不当时，显微组织内部更容易出现气孔等现象，导致激光修复试样内部质量和力学性能降低。