【摘 要】
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氧化铝陶瓷由于优良的耐热性、硬度、耐腐蚀性等性质,在航空航天材料热防护涂层领域有广泛的应用前景,但是脆性、低韧性及热应力敏感等缺点使其应用受到限制。使用激光熔覆原位制造技术制造颗粒增强型氧化铝陶瓷可以有效改善其脆性和韧性问题,为制造出优良的颗粒增强型氧化铝涂层,本文对使用四氧化三铁和铝的混合粉末在钛合金基板上激光熔覆原位制造Al2O3-Fe颗粒增强型复合涂层的过程进行热-力分析研究,为实际工程制造
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氧化铝陶瓷由于优良的耐热性、硬度、耐腐蚀性等性质,在航空航天材料热防护涂层领域有广泛的应用前景,但是脆性、低韧性及热应力敏感等缺点使其应用受到限制。使用激光熔覆原位制造技术制造颗粒增强型氧化铝陶瓷可以有效改善其脆性和韧性问题,为制造出优良的颗粒增强型氧化铝涂层,本文对使用四氧化三铁和铝的混合粉末在钛合金基板上激光熔覆原位制造Al2O3-Fe颗粒增强型复合涂层的过程进行热-力分析研究,为实际工程制造提供技术参考。主要研究内容如下:针对混合粉末在激光作用下发生诱导铝热反应对涂层成型造成的未知影响,本文基于激光熔覆过程温度场和应力场分析理论,建立了适用于Al2O3-Fe激光熔覆原位制造过程的热力耦合数值模拟模型,揭示了复合涂层制造过程中的温度场演变规律。结合涂层的微观结构建立代表体积元模型得到其热力学参数用于计算。针对涂层制造过程中发生的激光诱导反应,将内部生热热源模型和“生死单元”技术结合,建立了与半球状高斯热源同时作用的组合热源,温度场模型准确性通过仿真和实验的节点温度曲线得到了验证。在Al2O3-Fe激光熔覆原位制造过程的温度场研究中,获得了反应热对温度场分布和演变造成的影响以及不同激光加工参数对熔池最高温度和熔池形态的影响。为获得不同激光加工参数作用下制造同等规格复合涂层热应力的分布规律,本文在热力耦合仿真的基础上进一步进行了Al2O3-Fe激光熔覆原位制造实验研究。通过数值模拟预测了不同激光加工参数对涂层熔覆结束后等效应力分布以及各个方向上的应力大小与类型。对实验制备得到的涂层宏观形貌进行分析,验证了应力场仿真结果,得到了不同激光加工参数与涂层应力之间的关系。为了能制备出涂层形貌规整且基板热变形小的Al2O3-Fe涂层,提出使用激光扫描点云方法获取涂层形貌及基板热变形数据,揭示了其与激光加工参数之间的关系。对涂层两侧基板的点云进行线性拟合,实现了对不同参数组合下基板热变形定量分析。提出将涂层与基板数据分割获取涂层的熔高熔宽的方法,得到了不同激光加工参数下涂层几何形貌变化规律。总结分析并进行参数优选,为实际生产提供参考。
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