卞宏友，雷 洋，李 英，楊 光，欽蘭云，王 維

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預(yù)熱對激光沉積修復(fù)TA15鈦合金形貌尺寸和組織的影響

卞宏友1，雷 洋1，李 英2，楊 光1，欽蘭云1，王 維1

(1. 沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136;2. 中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限公司 焊接研究所，沈陽 110043)

采用感應(yīng)加熱裝置實現(xiàn)激光沉積修復(fù)基材的預(yù)熱，完成基材預(yù)熱下的激光沉積修復(fù)試驗，研究不同基材預(yù)熱溫度對試樣形貌尺寸、顯微組織及硬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：基材預(yù)熱后的沉積試樣表面更加平整，試樣熔寬和熔高有所增大；隨著預(yù)熱溫度的升高，沉積試樣底部的柱狀晶越粗壯、尺寸越短，頂部的枝晶數(shù)量越少，顯微組織中片層組織越粗大；且沉積試樣顯微硬度輕微降低?；念A(yù)熱可明顯改善沉積質(zhì)量。

TA15鈦合金；激光沉積修復(fù)；預(yù)熱；形貌尺寸；顯微組織；顯微硬度

激光沉積修復(fù)技術(shù)(Laser deposition repair，LDR)是基于層層疊加制造原理，以激光為熱源，對同軸輸送的金屬粉末材料按照規(guī)劃的掃描路徑實現(xiàn)逐層熔化沉積的技術(shù)。它具有熱影響區(qū)小、自動化程度高、工藝重復(fù)性好以及可實現(xiàn)缺損部位近凈成形修復(fù)等優(yōu)點，在鈦合金等貴重金屬零件快速修復(fù)方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用前景[1?4]。

激光沉積過程中熱傳遞遍歷逐點、逐道、逐層堆積加工的始末。沉積過程的溫度場分布對于沉積工件的形貌尺寸、顯微組織有直接的影響，進而影響沉積工件的力學性能。同時沉積過程中所具有的能量集中輸入、快速加熱冷卻等特點，使得沉積工件內(nèi)部以及工件與基材間存在著巨大的溫度梯度，進而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力達到材料極限時，工件將產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂?；念A(yù)熱是解決這一問題的有效途徑之一，對基材預(yù)熱可有效降低沉積過程中試樣與基材的溫度梯度，使沉積過程溫度場分布更加均勻穩(wěn)定[5?6]。

與傳統(tǒng)的火焰加熱、電阻加熱等預(yù)熱方式相比，感應(yīng)加熱的熱源和受熱物體不直接接觸，具有非接觸加熱、輸入熱量易于控制、加熱效率高、感應(yīng)加熱器可根據(jù)加熱工件形狀及位置進行仿形設(shè)計，實現(xiàn)局部加熱等優(yōu)點[7]。FARAHMAND等[8]研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆與感應(yīng)加熱復(fù)合不僅提高了熔覆層的均勻性及光滑度，而且顯微組織得到改善；黃永俊[9]研究發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱可以提高激光熔覆的沉積效率，形成與基體呈良好冶金結(jié)合的無裂紋熔覆層；林濤等[10]針對感應(yīng)加熱消除不銹鋼管焊接應(yīng)力進行模擬，指出感應(yīng)加熱易于操作和控制，消除殘余應(yīng)力效果更明顯。

本文作者采用感應(yīng)加熱裝置對激光沉積修復(fù)基材進行預(yù)熱，研究不同基材預(yù)熱溫度對修復(fù)試樣形貌尺寸、顯微組織及硬度的影響規(guī)律。

1 實驗

激光沉積修復(fù)TA15鈦合金試樣是在沈陽航空航天大學構(gòu)建的LDM?800系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)由6 kW光纖激光器、懸臂式三軸平移運動系統(tǒng)、集成冷卻和保護氣系統(tǒng)的同軸熔覆頭、雙桶送粉器、氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)以及氬氣保護箱等組成。

預(yù)熱采用的感應(yīng)加熱裝置包括：通過調(diào)節(jié)電流(最大輸入電流為37 A)來控制加熱溫度及加熱速度的高頻(30 kHz)感應(yīng)加熱設(shè)備；可根據(jù)試樣修復(fù)部位的實際形狀進行仿形設(shè)計制造的感應(yīng)加熱器；對試樣加熱溫度進行實時監(jiān)測的紅外熱像儀(測溫范圍：200~1500 ℃，最大采樣幀頻為50 Hz)。

試驗采用厚度為5 mm的TA15鈦合金基材。試驗前用砂紙打磨掉表面的氧化皮，并用丙酮和酒精清洗干凈并烘干。選用粉末粒度分布為44~149 μm的球形粉末TA15作為沉積材料，粉末化學成分見表1，粉末采用真空烘干處理。