航空发动机转子组件电子束焊变形预测

航空商用发动机组件尺寸精度要求较高,且组件焊接后盘心位置不能进行机械加工,因此采用数值模拟的方法对转子组件进行焊接变形预测. 试验将基于热弹塑性理论计算提取固有应变数值;通过理论计算得到GH4169合金电子束焊缝的固有应变值,分析焊接工艺参数对焊缝固有应变的影响规律;建立结构件模型,分析焊接工艺、焊接顺序及工装条件下组件焊接变形. 结果表明,相比于第一,第二和第三级盘,第四级盘心轴向变形最大,且通过增大扫描速度和改变约束方式的方法可以有效减小焊接变形,从而完成对转子组件焊接变形进行预测和控制.     

供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化

航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标,其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主,存在较厚的重铸层,且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法,具有加工效率高、质量好,重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求,采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺,针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段,研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段,之后根据模拟所获得的理论结果,通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现,出入口孔径是决定流量大小最重要的因素,在单脉冲能量140μJ,单层扫描时间1 200 ms,单层进给量0.02 mm,重复频率100 kHz,旋转速度2 400 r/min的工艺下,将孔径偏差控制在±5μm以内,最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。     

ZTC4激光熔覆修复力学性能及失效分析

采用同轴送粉式激光熔覆技术对ZTC4板材的圆孔形缺陷进行修复,通过采用封边搭接和旋转搭接的方式研究了不同工艺、不同扫描路径及不同热处理工艺下激光熔覆修复对ZTC4修复件力学性能的影响。结果表明,封边搭接和旋转搭接的修复质量及修复效率相近,能在保证修复效率的情况下保证一定的修复质量。光斑直径相较于修复层数是更主要影响修复质量的工艺参数。对深3 mm和5 mm孔进行封边搭接及旋转修复时,发现采用φ2.5 mm光斑直径的封边搭接工艺所获得的力学性能优于光斑直径φ1.0 mm封边搭接和旋转修复工艺。光斑直径φ2.5 mm封边搭接拉伸结果呈韧性断裂;光斑直径φ1.0 mm封边搭接拉伸结果呈准解理断裂。同时,修复试样的综合力学性能在经过固溶处理和固溶时效处理前后变化不大。     

镍基高温合金喷油孔的飞秒激光精密加工

飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势，可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此，本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式，系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明，离焦量对入口孔径的影响最为明显；对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整，本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390μm的通孔，出口入口孔径误差小于0.6μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整，有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm，满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良，随激光脉冲重复频率增加，孔壁附近组织逐渐粗化，但均无明显重铸层或热影响区，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。     

ZTC4激光熔覆修复力学性能及失效分析

采用同轴送粉式激光熔覆技术对ZTC4板材的圆孔形缺陷进行修复，通过采用封边搭接和旋转搭接的方式研究了不同工艺、不同扫描路径及不同热处理工艺下激光熔覆修复对ZTC4修复件力学性能的影响。结果表明，封边搭接和旋转搭接的修复质量及修复效率相近，能在保证修复效率的情况下保证一定的修复质量。光斑直径相较于修复层数是更主要影响修复质量的工艺参数。对深3 mm和5 mm孔进行封边搭接及旋转修复时，发现采用φ2.5 mm光斑直径的封边搭接工艺所获得的力学性能优于光斑直径φ1.0 mm封边搭接和旋转修复工艺。光斑直径φ2.5 mm封边搭接拉伸结果呈韧性断裂；光斑直径φ1.0 mm封边搭接拉伸结果呈准解理断裂。同时，修复试样的综合力学性能在经过固溶处理和固溶时效处理前后变化不大。