基于Unity 3D的激光熔覆虚拟试验平台开发

激光熔覆工艺作为我国新工科教育研究和开发的重要内容,存在试验开展周期长、设备运行费用高、具有现场教学安全隐患等问题。为解决上述问题,开发了一款基于虚拟现实引擎Unity3D的激光熔覆虚拟试验平台,该平台利用Unity3D、SolidWorks、3dsMax、MYSQL数据库、Photon Server服务器等软件实现了从激光熔覆试验对象选择、试验参数制定、熔覆路径规划、试验过程动态模拟、试验样本评价反馈等功能,使激光熔覆的教育教学实现宽口径、大范围、多时空以及智能化的效率提升,为试验教育教学方式和手段的拓展提供借鉴和参考。     

TC4叶片裂纹及体积损伤激光修复工艺方法

针对TC4合金叶片经常性表层裂纹萌生、体积损伤以及修复材料成本高的工程实际,优选FeCrNiB系以及TiAlVFe系合金材料,基于脉冲激光成形工艺优势,实现了TC4合金叶片表层裂纹及体积损伤修复,从成形工艺、金相组织、显微硬度以及三维尺寸等方面验证了工艺匹配性。结果表明:FeCrNiB合金熔覆层主要由细小致密的等轴晶、交错分布的树枝晶以及均匀分布的胞状晶组成,而TC4合金主要由针状马氏体和网篮组织交错伴生组成,都具有较好的组织形态。FeCrNiB合金熔覆层显微硬度为380~750 HV0.1,较基体提升约1倍;TC4合金熔覆层显微硬度为295~350 HV0.1,与基体基本保持一致。叶片成形后整体形状尺寸精度控制在0.8 mm以下。通过激光工艺优化和性能匹配分析可知,FeCrNiB合金适合局部微裂纹修复,而TC4合金适合体积损伤成形。     

Fe314合金激光熔覆层的应力分布规律

研究熔覆层应力分布规律对控制裂纹萌生及提高抗疲劳和抗腐蚀等性能至关重要。利用Nd∶YAG固体激光器在45钢基体表面制备了厚度约5mm的Fe314激光熔覆层,利用X射线衍射应力测定仪对熔覆层表层不同位置及其沿深度方向的应力分布情况进行分析,利用金相显微镜观察熔覆层显微组织,利用维氏硬度计对熔覆层硬度分布规律进行分析。研究结果表明:平行激光扫描方向的熔覆层表面应力最大值出现在熔覆层边缘,约为290MPa;垂直激光扫描方向的表面应力最大值出现在熔覆层中心,约为230MPa,由中心向边缘递减,并逐渐由拉应力转变为压应力;深度方向上,平行激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加先保持平稳后不断增大;垂直激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加而增大;应力分布主要受热累积效应影响,熔覆层具有与热累积效应对应的金相结构,熔覆层硬度范围为380～450HV0.3,略高于基体。     

U71Mn轨道表面激光再制造FeCrNiB覆层工艺与组织性能

针对U71Mn轨道表面磨损及激光再制造的表面耐磨性不足、气孔缺陷易发等再制造难点,提出并验证了脉冲激光熔覆制备轨道表面FeCrNiB覆层的工艺与方法。试验结果表明：熔覆层顶部主要分布细小致密的等轴晶、中部交错存在较多的树枝晶,树枝晶晶粒具备长大条件已存在初次晶臂和二次晶臂,覆层低部呈现出的胞状晶组织,大致垂直于界面;熔覆层中Cr₇C₃硬质相和纳米级极细粒状和片状珠光体组织的存在,使熔覆层具有较高硬度及耐磨性,熔覆层的平均硬度由310 HV_0.2提升至750HV_0.2;在同等的摩擦磨损条件下,熔覆层的耐磨性提高了5倍;对接试样的抗拉强度略小于基体抗拉强度,但仍能满足钢轨使用要求。     

激光沉积成形修复薄壁叶片模拟件的三维形变分析

压缩机叶片激光再制造对设备延寿意义重大,但过程所产生的微小、离散、非线性形变影响叶轮整体运行性能,且该类形变难以精确测量,影响工艺优化及成形性能评价,文中针对该问题展开研究,以体积损伤薄壁叶片模拟件为对象开展激光再制造,以三维反求的表面点云数据为依据,对再制造前后整体型面、热影响区以及垂直截面形变变化规律开展分析.结果表明,模拟件整体形变变化较小,形状尺寸变化在0.2~0.5 mm之间,热影响区是形变最集中区域;热影响区形变呈均匀分布特征,尺寸变化在0.44~0.50 mm之间;垂直截面形状尺寸变化在-0.2~0.2 mm之间,呈微小形变弯曲特征.     

FV520(B)钢叶片激光再制造动态形变规律及试验优化

针对体积损伤压缩机叶片的激光再制造成形形变控制难题,采用有限单元"生死"控制方法,模拟脉冲激光优化工艺下成形过程,获取成形形变动态历程及规律,优化了脉冲激光成形工艺并采用IPG光纤激光再制造系统开展了叶轮激光再制造成形试验.采用Power Scan II型蓝光三维反求测量仪精确测量了再制造成形形变尺寸,验证了有限元分析结论的正确性.试验结果表明:增加首末两成形层之间时间间隔,可控制整体形变在1 mm以内,热影响区形变控制在0.280.50 mm以内,经机械加工后尺寸误差精度不超过0.02 mm,角度误差精度不超过0.03°,验证了脉冲激光工艺的优化性,为叶片类部件再制造成形提供工艺参考.     

脉冲激光熔覆成形变半径FeCrNiCu合金圆筒工艺及力学性能

针对激光立体成形变半径圆筒件边部及外沿塌陷、热累积效应引起力学性能下降等增材制造难点,提出了脉冲激光成形FeCrNiCu合金圆筒件优化路径及工艺,实现了变半径圆筒结构的直接熔覆成形,验证了该结构件良好的组织构成以及力学性能。结果表明:覆层顶部为细小致密的等轴晶组织,中部由具有定向生长趋势的树枝晶构成,底部由胞状晶构成,晶内及晶间有颗粒状Cr₇C₃型强化析出相析出。覆层显微硬度(HV)最高值为6750MPa,覆层显微硬度(HV)主要分布在5540~5760 MPa;成形层(纵向)的抗拉强度最大为1070 MPa,抗拉强度范围1010~1070 MPa;成形层(横向)的抗拉强度最大为960 MPa,抗拉强度范围780~960 MPa。覆层冲击韧性分布在511.08~727.54 kJ·m^-2,相关力学试验验证了该结构件具有优良的力学性能。     

压缩机叶片激光再制造成形闭环控制设计与实现

针对压缩机叶片激光再制造成形精度要求高、形状及形变控制难度大以及成形过程自动化、智能化水平低的工程实际情况,以边部非规则体积损伤压缩机薄壁叶片成形为目标,设计并实现了叶片激光再制造成形闭环控制系统,实现了形状及形变尺寸的闭环监测和激光功率的在线调节,开展了体积损伤薄壁叶片的激光再制造成形闭环控制. 试验结果表明, 叶片形状恢复充分,表层无裂纹,系统尺寸监测精度可达0.1 mm,系统参数反馈周期为0.5 s,采样频率为2 Hz.     

预热温度对灰铸铁表面激光熔覆镍基涂层组织与性能的影响

采用CO2激光器在HT250基体上分别以不同预热温度制备NiCuFeBSi合金熔覆层,研究基体预热温度对白口组织控制、结合界面元素分布及抗拉强度的影响。结果表明:提高预热温度,有利于降低半熔化区白口化趋势,白口组织呈断续分布,但也导致熔覆层稀释率增大,更多基体Si,P杂质元素稀释进入熔池形成杂质相。拉伸实验表明:熔覆层抗拉强度远大于HT250,熔覆层断裂机制为解理与准解理混合型断裂。观察发现NiCuFeBSi合金激光熔覆层凝固后晶粒内部存在大量位错线并交叉缠结形成亚结构,进一步细化了晶粒,有利于提高熔覆层的强度与性能。最终获得NiCuFeBSi合金熔覆层在HT250基体上的最佳温度为室温30℃。