预热对激光沉积修复TA15钛合金形貌尺寸和组织的影响

卞宏友，雷 洋，李 英，杨 光，钦兰云，王 维



预热对激光沉积修复TA15钛合金形貌尺寸和组织的影响

卞宏友1，雷 洋1，李 英2，杨 光1，钦兰云1，王 维1

(1. 沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136;2. 中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司 焊接研究所，沈阳 110043)

采用感应加热装置实现激光沉积修复基材的预热，完成基材预热下的激光沉积修复试验，研究不同基材预热温度对试样形貌尺寸、显微组织及硬度的影响规律。结果表明：基材预热后的沉积试样表面更加平整，试样熔宽和熔高有所增大；随着预热温度的升高，沉积试样底部的柱状晶越粗壮、尺寸越短，顶部的枝晶数量越少，显微组织中片层组织越粗大；且沉积试样显微硬度轻微降低。基材预热可明显改善沉积质量。

TA15钛合金；激光沉积修复；预热；形貌尺寸；显微组织；显微硬度

激光沉积修复技术(Laser deposition repair，LDR)是基于层层叠加制造原理，以激光为热源，对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化沉积的技术。它具有热影响区小、自动化程度高、工艺重复性好以及可实现缺损部位近净成形修复等优点，在钛合金等贵重金属零件快速修复方面具有明显的技术优势和巨大的应用前景[1−4]。

激光沉积过程中热传递遍历逐点、逐道、逐层堆积加工的始末。沉积过程的温度场分布对于沉积工件的形貌尺寸、显微组织有直接的影响，进而影响沉积工件的力学性能。同时沉积过程中所具有的能量集中输入、快速加热冷却等特点，使得沉积工件内部以及工件与基材间存在着巨大的温度梯度，进而产生热应力，当热应力达到材料极限时，工件将产生裂纹甚至发生断裂。基材预热是解决这一问题的有效途径之一，对基材预热可有效降低沉积过程中试样与基材的温度梯度，使沉积过程温度场分布更加均匀稳定[5−6]。

与传统的火焰加热、电阻加热等预热方式相比，感应加热的热源和受热物体不直接接触，具有非接触加热、输入热量易于控制、加热效率高、感应加热器可根据加热工件形状及位置进行仿形设计，实现局部加热等优点[7]。FARAHMAND等[8]研究发现，激光熔覆与感应加热复合不仅提高了熔覆层的均匀性及光滑度，而且显微组织得到改善；黄永俊[9]研究发现感应加热可以提高激光熔覆的沉积效率，形成与基体呈良好冶金结合的无裂纹熔覆层；林涛等[10]针对感应加热消除不锈钢管焊接应力进行模拟，指出感应加热易于操作和控制，消除残余应力效果更明显。

本文作者采用感应加热装置对激光沉积修复基材进行预热，研究不同基材预热温度对修复试样形貌尺寸、显微组织及硬度的影响规律。

1 实验

激光沉积修复TA15钛合金试样是在沈阳航空航天大学构建的LDM−800系统上完成，该系统由6 kW光纤激光器、悬臂式三轴平移运动系统、集成冷却和保护气系统的同轴熔覆头、双桶送粉器、气体循环净化系统以及氩气保护箱等组成。

预热采用的感应加热装置包括：通过调节电流(最大输入电流为37 A)来控制加热温度及加热速度的高频(30 kHz)感应加热设备；可根据试样修复部位的实际形状进行仿形设计制造的感应加热器；对试样加热温度进行实时监测的红外热像仪(测温范围：200~1500 ℃，最大采样帧频为50 Hz)。

试验采用厚度为5 mm的TA15钛合金基材。试验前用砂纸打磨掉表面的氧化皮，并用丙酮和酒精清洗干净并烘干。选用粉末粒度分布为44~149 μm的球形粉末TA15作为沉积材料，粉末化学成分见表1，粉末采用真空烘干处理。