【摘 要】
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涡轮盘和涡轮叶片是航空发动机的重要组成部分,但两者的机械连接方式存在诸如微动磨损、裂纹、溢流损失等问题,从而制约发动机性能的发挥。整体叶盘(Bladed Integrated Disk,Blisk)结构可使发动机结构进一步简化,推重比和可靠性等性能得到提高,然而,整体叶盘的过渡区为结构复杂的梯度材料,给制造技术带来了很大挑战。激光熔化沉积技术(Laser Melting Deposition,LM
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涡轮盘和涡轮叶片是航空发动机的重要组成部分,但两者的机械连接方式存在诸如微动磨损、裂纹、溢流损失等问题,从而制约发动机性能的发挥。整体叶盘(Bladed Integrated Disk,Blisk)结构可使发动机结构进一步简化,推重比和可靠性等性能得到提高,然而,整体叶盘的过渡区为结构复杂的梯度材料,给制造技术带来了很大挑战。激光熔化沉积技术(Laser Melting Deposition,LMD)是一种通过材料逐层累加“自下而上”的制造方法,在沉积过程中可通过改变两种材料的比例成形梯度材料。本文选用涡轮盘用GH4169合金和涡轮叶片用K418合金粉末为原材料,研究了工艺参数对样品沉积层高度和宽度、熔池深度的影响规律,获得最佳成形工艺范围,在此基础上,着重研究了激光功率对GH4169块体样品的组织结构以及力学性能的影响,并以孔隙率和裂纹率为评价标准,获得了 GH4169和K418合金样品的最佳成形工艺参数。采用该工艺参数制备了 GH4169和K418合金的功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGM),并系统地研究了沉积态和热处理态FGM材料的组织性能变化情况。GH4169合金单道、单壁墙及块体沉积实验结果表明:在激光功率为600 W,扫描速度为10 mm/s、送粉速率为24g/min时样品成形性最佳。LMD成形的GH4169块体样品孔隙率随着成形激光功率的增加先减小后略微增加,在激光功率为600 W时孔隙率达到最小值0.284 vol%,所成形样品的综合性能最佳,其屈服强度为587 MPa,强度极限为 903 MPa,断后伸长率为13.6%,疲劳极限为173.7 MPa(R=0.1)。此外,LMD成形的K418块体样品在激光功率为700 W时裂纹率最低为0.151。LMD成形的GH4169和K418合金梯度样品实验结果表明:沉积态样品各梯度间无明显界面,整个样品主要由γ相基体、Laves相、基体与Laves相的过渡区以及碳化物组成,针状δ相和γ’相极少。梯度样品硬度随着梯度层中K418合金元素含量的增加而增加。经均匀化+固溶+时效后,梯度样品的枝晶结构消失,大部分Laves相溶解,在100%GH4169区域晶界处存在针状δ相,随着K418合金含量的增加,δ相减少,仅能观察到碳化物。随着均匀化处理时间的增长,发生再结晶的晶粒数目增多,γ"相、γ’相和δ相分布更加弥散均匀。经热处理后的梯度样品硬度达到了沉积态样品的最大硬度值。经均匀化处理1.5 h+固溶+时效处理的梯度样品的屈服强度、强度极限和伸长率分别为726 MPa、1044 MPa和13.2%,已达到GH4169和K418合金的铸态水平。
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