激光沉积熔池形貌演化机理及成形精度控制研究

Titanium alloys laser deposition manufacturing technology is widely used in aerospace and some other fields, but its low efficiency and dimension accuracy are the main factors to limit its development.The near alpha-Ti alloy represented by TA15 alloy is prepared for the investigation of the low geometrical characteristic due to uneven thermal distribution,Then the following key questions in the project will be studied systematically: distribution of temperature field and thermal cycle characteristics, which are helped to reveal heat transfer characteristics for the solidification and phase transformation by the method of combining theoretical model, simulation with experiments.The project also aims to reveal the law on effect of thermal accumulation on laser melt pool shape evolution and propose a method of controlling the pool dimensions based on the experimental and numerical data. Then a multi-field coupling model of temperature field and stress field is build to study parts stress evolution and distortion behavior.At last, thermal behavior, distortion and laser melt pool dimensions are taken into account to build a dimension prediction model and design a real-time control algorithm, then the model is validated by experiments to implement LDM active control to provide the theoretical basis and method guidance for improving the quality of deposited components.

钛合金激光沉积制造技术在航空航天等领域具有广阔的应用前景，但其较低的制造效率和制件尺寸精度成为限制其发展的主要因素。本项目针对激光沉积制造过程不均匀的热分布导致成形制件几何性能低的问题，选用TA15近alpha相钛合金为研究对象，运用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法，通过研究制造过程中的温度场分布及热循环特性，揭示不同工艺参数下激光熔池凝固及相变过程的热传递特性；研究热累积对激光熔池形貌尺寸演变影响规律，结合试验数据和数值模拟结果提出熔池尺寸控制方法；建立温度场、热力耦合场数值模型，研究制造过程中应力演化规律及制件的变形行为；综合考虑热行为、变形及熔池尺寸，建立制件尺寸预测模型和设计实时控制算法，通过工艺试验修正和完善预报模型，实现激光沉积制造过程的主动控制，为提高成形件的效率和质量提供理论依据和方法指导。

激光沉积制造技术在飞机加强框、梁和航空发动机整体叶盘、机匣等航空关键钛合金零件制造和修复中有着广阔的应用前景。但由于应力变形和热累积等因素的存在，致使其制造效率较低且制件尺寸精度较差，成为限制其发展的主要因素。为了提高成形精度，开展了如下研究内容：.首先建立激光沉积温度场及应力场的数学模型，采用单元生死技术实现LDM TA15钛合金温度场的数值模拟，研究了激光功率、扫描速度等工艺参数对温度场的影响规律，分析了沉积层内部节点的热循环特点及温度梯度分布。然后采用热力耦合方法，对应力场进行了数值模拟，分析了工艺参数对应力场的影响。最后对修复表面残余应力进行了测量，对模拟结果进行了验证，进一步完善了数学模型。.研究了单道成形熔池宽度的影响因素。采用卡尔曼滤波技术对采集的熔池测量数据进行去噪处理，提高了熔池宽度检测精度并为模型预测精度提供保证。基于正交试验建立了熔池宽度与工艺参数间的经验模型，拟合优度可达94%，最大误差不超过4.5%。经单一变量试验验证，熔池宽度与激光功率呈正相关，与扫描速率呈负相关。.分析了薄壁件沉积过程热量累积对熔池形貌的影响。对制造过程温度场进行了模拟，分析不同沉积层上熔池形貌、节点温度变化情况、熔池的温度分布，结果表明热累积会使熔池面积逐渐变大。为验证模拟的正确性，进行相同工艺条件下的熔池实时监测试验，结果显示热累积对熔池的宽度以及熔池倾斜角度均存在规律一致的影响，都先呈现逐渐增大的趋势，沉积一定层数以后，均逐渐趋于稳定。最后进行了熔池宽度闭环控制系统设计研究。采用ARMAX模型辨识出扫描速度与熔池宽度间的动态关系模型，为熔池宽度控制系统提供设计依据。建立了基于经典增量式PID控制算法的熔池宽度闭环控制系统，对熔池宽度具有较高的控制精度。.本项目取得的重要成果成功应用于某型隐身战机钛合金零件的激光沉积制造和航发机匣激光沉积修复，具有重要的科学意义和工程应用价值。