改進(jìn)鎳基高溫合金激光金屬沉積(LMD)的雙色高溫測(cè)量法工藝控制
研究目的
本研究旨在通過(guò)雙色測(cè)溫儀測(cè)量法(Two-colour Pyrometry)優(yōu)化激光金屬沉積(LMD)技術(shù)在鎳基高溫合金(Inconel 718)加工中的工藝控制,探究熔池溫度及冷卻速率對(duì)沉積層幾何形狀、微觀組織和耐腐蝕性能的影響,以提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件(如渦輪葉片)的修復(fù)與制造質(zhì)量。
關(guān)鍵方法
實(shí)驗(yàn)裝置
激光系統(tǒng):采用1 kW Nd:YAG激光器(波長(zhǎng)1064 nm),通過(guò)光纖傳輸至同軸沉積頭,聚焦光斑直徑1.95 mm,高斯能量分布。
粉末輸送:Sulzer Metco Twin 10C送粉器,氦氣作為載氣和保護(hù)氣體,防止氧化。
運(yùn)動(dòng)控制:CNC數(shù)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)移動(dòng),支持多層多方向沉積。
溫度監(jiān)測(cè)
雙色高溫計(jì)(Impac IGAR 12-LO MB22):基于1.28 μm與1.65 μm雙波長(zhǎng)比值測(cè)溫,范圍550~2500℃,測(cè)量頻率10 ms,光斑直徑0.8 mm。
校準(zhǔn)與抗干擾:通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定Inconel 718的發(fā)射率斜率,并加裝1064 nm陷波濾光片消除激光干擾。
工藝參數(shù)分析
調(diào)控激光功率、掃描速度、送粉速率及層間冷卻時(shí)間,結(jié)合實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)優(yōu)化熱輸入與冷卻速率。
分析沉積層形貌(高度/寬度)、稀釋率(<5%)、微觀組織(晶粒尺寸、析出相)及電化學(xué)腐蝕性能。
熔池溫度與工藝穩(wěn)定性
雙色高溫計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度波動(dòng)(典型值1400~1600℃),識(shí)別過(guò)熱或熔合不良區(qū)域,減少氣孔和裂紋缺陷。
溫度反饋控制優(yōu)化了激光-粉末-基體相互作用,確保冶金結(jié)合與低稀釋率(<5%),實(shí)現(xiàn)高精度薄壁結(jié)構(gòu)(如0.3~1 mm層厚)。
冷卻速率對(duì)微觀組織的影響
快速冷卻(如層間間隔縮短):細(xì)化γ基體晶粒(平均尺寸<10 μm),抑制δ相(Ni3Nb)析出,提升高溫蠕變抗力。
慢速冷卻:導(dǎo)致晶粒粗化及Laves相(富Nb脆性相)形成,降低力學(xué)性能。
耐腐蝕性能
優(yōu)化的冷卻條件(平均冷卻速率>100℃/s)使沉積層在3.5% NaCl溶液中腐蝕電流密度降低至,較傳統(tǒng)焊接提升40%,接近鍛造Inconel 718水平。
幾何一致性
溫度閉環(huán)控制下,薄壁沉積的寬度偏差<±0.1 mm,表面粗糙度,滿足航空部件修復(fù)的尺寸公差要求。
雙色高溫測(cè)量法為L(zhǎng)MD工藝提供了高精度、抗干擾的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控手段,顯著降低了鎳基高溫合金加工中的熱輸入波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)調(diào)控熔池溫度與冷卻速率,可定制沉積層微觀組織,平衡力學(xué)性能與耐腐蝕性,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件(如渦輪葉片、燃燒室)的增材制造與修復(fù)提供可靠工藝方案。
該研究驗(yàn)證了LMD結(jié)合先進(jìn)傳感技術(shù)在高端工業(yè)應(yīng)用中的可行性,推動(dòng)航空航天領(lǐng)域向高效、低成本的數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型。