激光熔覆的应用

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辉锐产品介绍 | 14 温度闭环控制系统

来源: | 作者:辉锐集团 | 发布时间: 2021-02-19 | 1537 次浏览 | 分享到:

航空应用概述

激光金属增材制造技术对航空工业的发展有着举足轻重的作用。激光熔覆技术可以提高航空零部件在严苛工况下的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳等性能，提高材料的使用寿命，还可以用于磨损零部件的修复处理，节约加工成本。激光金属3D打印技术应用于飞机零部件的快速制造,可以减少工件制造工序、提高零部件质量。在国外，如GE，Rolls-Royce,Prewitt等航空发动机的主要制造企业早在80年代已经开始研发激光增材制造技术在航空零件上的成型制造与修复应用，其中高压涡轮叶片的激光增材修复已经是应用了20年的成熟技术，大量应用于商用飞机发动机的涡轮叶片叶尖和深裂纹修复中。
激光增材技术适用的材料体系广泛，在飞机和航空发动机维修方面，包括高强钢、铝合金、镍基高温合金、钴基高温合金、钛合金等。激光增材技术是目前一些发动机热端部件维修增材最具可行性的技术手段。目前，针对常用的镍基高温合金，例如IN625，Waspaloy，IN718，IN738等，激光增材修复工艺的开发已较为成熟，大量的文献数据报道了修复后零件的微观组织以及机械性能，以及优化的修复后热处理方案。直接激光金属沉积的镍基高温合金，经过优化的热处理后，性能高于铸件，与锻件相当。

图片1 In718激光直接成型及不同热处理工艺后的拉伸性能比较

根据现有的关于激光直接成形定向晶组织生长的理论，在激光直接成形过程中，使熔池与基板之间形成了自上而下的超高温度梯度(可达到10^6K/m)，在超高的冷却速度下，熔池瞬间凝固(凝固速度可达到24mm/s)，使熔覆层微观组织呈现沿Z轴强制定向晶生长规律。所以温度梯度是影响定向晶生长的主要驱动力，要想获得良好的定向晶组织，必须对基体底部进行对流冷来提高温度梯度，但是不管对基体采用何种方法进行冷却来增大温度梯度，熔池两侧区域的温度梯度依然不会沿着Z轴方向，这是由于其与周围的保护气直接接触并进行热量传递，冷却速度也很快，导致R方向的温度梯度开始对定向晶的生长产生影响，并且随着成形过程中热量的不断积累，Z方向的温度梯度有所减小，R方向温度梯度的影响作用越来越明显，从而使定向晶生长方向发生偏转而不能沿Z轴方向外延生长，最终影响了整个成形件的微观组织和性能。

温度闭环控制软件介绍

为了克服上述高温合金成形过程中熔池两侧温度梯度发生偏转的问题，辉锐熔覆系统提供一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法，该方法保证整个熔池区域在凝固过程中保持沿Z方向正的温度梯度，使成形件具有更加完整的沿Z轴方向外延生长的定向晶组织

图片2 带温度闭环控制的超高频电磁感应加热系统

感应加热系统采用高频感应加热设备，可高效加热薄壁结构零件。采用高性能双色红外测温仪进行零件预热温度的实时监测，在温度范围600-1400℃可精确稳定地测量工件温度。测温仪可通过软件界面调整角度姿态，更加方便的瞄准加热工件，实现精确测量。
下图为辉锐公司自主开发的温度反馈控制软件，可通过计算机实时调节控制感应加热功率，使工件加热温度稳定在设定温度+/-5℃范围内。软件界面曲线图中不同颜色的曲线分别代表设定温度值、实测温度值、加热功率设定值。
曲线的第一个阶段为开环控制阶段，加热功率恒定、温度斜坡上升；
第二个阶段为控制器整定阶段，加热功率和实测温度振荡后收敛；
第三个阶段为稳定阶段，实测温度稳定在设定稳定附近。

图片3 温度闭环反馈控制软件界面

采用温度闭环控制以后，可以根据材料、工件的实际情况，设定合理的升温、保温、降温曲线，实现在激光修复工艺中精确的热处理过程。此过程对高温合金修复十分重要，通过对温度精确控制来调控组织，保证激光增材过程不开裂，激光增材后无需再热处理，就能够达到理想机械性能。
感应预热闭环温度控制还可以和熔池闭环控制系统同时工作，共同保证工艺稳定性、一致性。

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