旋转磁场下钛合金激光沉积层组织演变规律研究

Laser Deposition Manufacture（LDM）is one of the most prospective means to fabricate and maintain the blisk and aero-engine casing of the next generation aero-engine key components. But it difficult to precisely control the quality and combination mechanical properties of components due to rapid heating and cooling rate of the LDM process.Rotating magnetic field can cause mixed convection according to the given motion law in the laser molten pool,which can enhance mass and energy transfer and make the temperature and solute distribution more uniform. So rotating magnetic field is introduced to the LDM of titanium alloy processes to refine the grain size, restrain composition segregation and reduce residual stress and defects.Based on the invented permanent magnet type electromagnetic stirring device, the magnetic -assisted LDM system was builded to fabricate the samples to study the the following key questions: forming mechanism of defects, mechanism of the magnetic field-current-lorentz force and its effects on metal melt mass and energy transfer, magnetic field mechanism acting on the solidification and microstructural evolution, which will be used as theoretical guide further to investigate the microstructural evolution law of LDM melten pool and reveal the magnetic field mechanism of action to provide the theoretical basis for improving the qulity of manfactured components.

激光沉积制造技术在航空发动机钛合金整体叶盘、机匣、加强框等航空关键零件的制造中有着广阔的应用前景。但在激光沉积过程中，材料的熔化、凝固和冷却都是在极快条件下进行，致使零件质量和综合力学性能难以实现精确控制。本项目提出旋转磁场辅助钛合金激光沉积修复技术，即利用电磁搅拌能引起激光熔池内特定运动规律的混合对流，从而加速传能、传质及动量传递，均化温度场和熔质，起到细化晶粒、抑制成分偏析和松弛激光快凝过程的内应力，消除裂纹、气孔等缺陷的作用。在发明永磁式电磁搅拌装置的基础上，系统地研究激光沉积过程中缺陷的产生规律、金属熔体中磁场-电流-洛伦兹力之间作用机制及电磁场对熔池凝固的能量、动量和质量传递过程的影响规律；通过对电磁场下激光熔池凝固行为及微观组织演变的观察，进一步揭示电磁搅拌对激光熔池的凝固行为及其组织演化的影响机理，为精确控制激光沉积层组织和力学性能提供理论基础。

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的制造中有着广阔的应用前景。但在激光沉积过程中，材料的熔化、凝固和冷却都是在极快条件下进行，致使零件质量和综合力学性能难以实现精确控制。.本项目提出旋转磁场辅助钛合金激光沉积技术，主要研究永磁式电磁搅拌器，主要包括根据永磁魔环原理强磁体布置设计、磁场强度调节装置和旋转磁场速度调节装置以及与激光沉积制造设备的集成耦合；研究线圈式电磁搅拌器，主要包括电磁线圈设计、变频电源设计等。通过有限元和物理仿真方法研究旋转磁场对激光沉积温度场、熔池流场及凝固过程影响机制，揭示了电磁参数对温度峰值、温度梯度及温度分布等影响规律，对熔池内熔质流动的影响。电磁搅拌作用使激光沉积峰值温度下降约10%，温度梯度减小，加速熔池内熔质的流动，使熔池内温度易于传递，均匀化熔池内温度，改变了凝固速度和温度梯度的比值，进而影响了凝固条件，可激光沉积的外延生长的柱晶组织向等轴晶转变成为可能，工艺试验实现了整块沉积样品全部为等轴晶也支持上述理论分析结果。电磁搅拌辅助激光沉积减小了温度梯度进一步减小了成形过程中的应力，与未施加电磁场相比残余应力减小约20%，使制件的精度进一步提高。其次电磁作用下激光熔池流动得以控制，使气孔有条件和时间溢出，电磁作用下应力的释放又降低微裂纹产生的概率，因此通过电磁搅拌可以有效控制缺陷的产生。因激光沉积为高能激光循环快速加热冷却，即使有电磁搅拌制件也会有较大的残余应力，组织和性能还需要后续热处理来调控，因此本项目还研究了钛合金激光沉积制件热处理工艺，研究了加热温度、保温时间和冷却方式对激光沉积制造组织、拉伸性能的影响，分析了拉伸断口揭示了alpha相变形机制。.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某弄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。