报废飞机叶片高温锻压模具激光熔覆修复粉末的研发

论文摘要

针对激光熔覆修复航空发动机叶片报废高温锻压模具中使用热喷涂粉末开裂敏感性较大的缺点以及在高温（800℃以上）服役环境中,熔覆层容易开裂、脱落的问题,本文基于模具材料4Cr5W2SiV,从材料合金化原理出发,综合考虑了激光熔覆过程中熔化与凝固的特点以及基材与粉末的物理化学特性,研发出了专用于激光熔覆修复报废模具的铁基合金粉末。并对激光熔覆修复用合金粉末的最佳配比以及激光熔覆工艺参数对组织结构与性能的影响进行了研究。借助OM,SEM和XRD等分析手段,对激光熔覆修复层的组织结构与性能进行了研究,结果表明,当自制铁基熔覆粉末的重量百分比（wt.%）为:0.5C、25Cr、1.0Ni、1.5Si、1.5B、Fe为余量时,获得了无裂纹的熔覆层,熔覆层与基材实现了良好的化学冶金结合。熔覆粉末中造渣元素B的含量应严格控制:当B含量为1.5wt.%时,激光熔覆修复报废模具质量最佳;当B含量低于或高于1.5wt.%时熔覆层表面不平整、有裂纹或孔洞产生。窄带熔覆条件下,固定其它工艺参数,随着扫描速度的增大,熔覆层的平均显微硬度变化较大,P=2.5K W,V=5mm/s,d=3mm,f=300mm时,可以得到组织、硬度较好的熔覆层。但是,由于窄带激光熔覆搭接区太多,导致软化带较多,进而影响使用性能。宽带激光多层熔覆技术是获得较厚熔覆层的良好途径。这种方法对修复大尺寸的失效件非常有利。宽带激光熔覆修复的最佳工艺参数为:f=315mm,P=3kW,V=3mm/s,d=3mm×15mm。在最佳工艺条件下,熔覆层内组织过渡良好,结合区白亮带组织为平面晶,在熔覆层底部为胞状晶,熔覆层中部至表面的组织是从树枝晶+柱状晶到等轴晶;熔覆层稀释率小于10%,可以保证所配粉末的原有性能;熔覆层内除了基体相α—Fe外,还有一定量的非晶合相Fe5C2、Fe2B、FeSi与金属间化合物Ni-Cr-Fe、Fe-Cr、Fe-Ni等,保证了熔覆层有良好的硬度,耐磨性能。熔覆层的硬度分布为最表层比较低,由表及里约0.3mm处,硬度明显升高;在0.3mm～0.9mm区域,硬度变化趋于平缓,在热影响区显微硬度最高达到了810HV0.2,在接近基材处,硬度明显下降。熔覆层的耐磨性能是基材的1.5倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 航空发动机制件高温锻压模具失效形式
• 1.2 常见的航空发动机制件的修复方法
• 1.2.1 低压等离子喷涂法及电子束物理气相沉积法
• 1.2.2 钨电极惰性气体保护焊（TIG）法
• 1.2.3 激光表面熔覆法
• 1.3 航空发动机叶片高温锻压模具激光熔覆修复研究进展
• 1.3.1 激光表面熔覆技术优点
• 1.3.2 航空发动机制件激光熔覆强化与修复研究进展
• 1.3.3 激光熔覆修复工艺的研究现状
• 1.3.4 激光熔覆专用铁基自熔性粉末存在的问题
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 实验材料与试验方法
• 2.1 4Cr5W2SiV模具用铁基激光熔覆粉末的设计
• 2.1.1 研发修复模具用激光熔覆铁基粉末的可能性和意义
• 2.1.2 激光熔覆铁基粉末设计
• 2.2 激光熔覆实验设备的光学特性
• 2.3 激光熔覆工艺参数的分析与选择
• 2.3.1 激光熔覆工艺参数的分析
• 2.3.2 激光熔覆工艺参数的选择原则
• 2.3.3 激光熔覆修复过程
• 2.4 熔覆层组织与性能的测试分析及表征方法
• 2.4.1 熔覆层组织结构的表征方法
• 2.4.2 熔覆层力学性能的表征方法
• 第三章 优化的铁基合金粉末在不同激光熔覆条件下冶金过程研究
• 3.1 B最优铁基合金粉末的选择
• 3.1.1 B元素含量不同时模具的熔覆效果
• 3.1.2 B元素含量对开裂敏感性的影响机理
• 3.2 优化铁基粉末的窄带激光熔覆修复工艺特性
• 3.2.1 窄带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层组织
• 3.2.2 窄带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层硬度
• 3.2.3 窄带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层开裂敏感性
• 3.3 优化铁基粉末的宽带激光熔覆修复工艺特性
• 3.3.1 宽带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层组织
• 3.3.2 宽带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层硬度
• 3.3.3 宽带激光熔覆不同工艺条件下熔覆层开裂敏感性
• 3.4 优化铁基粉末的宽带激光多重熔覆技术工艺特性
• 3.4.1 宽带激光多层熔覆技术条件下熔覆层组织
• 3.4.2 宽带激光多重熔覆技术条件下熔覆层硬度
• 3.4.3 宽带激光多重熔覆技术条件下熔覆层组织开裂敏感性
• 3.5 本章小结
• 第四章 最佳工艺条件下的熔覆层组织表征
• 4.1 最佳工艺条件下熔覆层组织特征
• 4.2 最佳工艺条件下熔覆层的SEM形貌特征
• 4.2.1 结合界面SEM形貌特征与稀释率
• 4.2.2 熔覆层元素分布特征
• 4.3 最佳工艺条件下熔覆层XRD分析结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 最佳工艺条件下的熔覆层性能表征
• 5.1 熔覆层显微硬度分析
• 5.2 熔覆层摩擦磨损性能分析
• 5.3 熔覆层的强化机制
• 5.3.1 激光加工快速凝固机制对熔覆层力学性能的影响
• 5.3.2 合金元素对熔覆层力学性能的影响
• 5.3.3 析出相对熔覆层力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢