【摘 要】
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随着航空航天和海洋工程的发展,在海洋环境上空服役的飞机发动机性能要求迅速提高。发动机涡轮叶片不同部位承受不同的温度和应力,海洋大气中Na Cl和SO2等反应形成的腐蚀性熔盐会导致涡轮叶片表面发生不同程度热腐蚀,由于涡轮叶片前缘温度更高,更容易发生腐蚀断裂。与700℃下具有良好抗疲劳和蠕变性的IN718镍基高温合金相比,GH605钴基高温合金具有更好耐热腐蚀性能,但其密度和成本较高。因此,为了提高涡
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随着航空航天和海洋工程的发展,在海洋环境上空服役的飞机发动机性能要求迅速提高。发动机涡轮叶片不同部位承受不同的温度和应力,海洋大气中Na Cl和SO2等反应形成的腐蚀性熔盐会导致涡轮叶片表面发生不同程度热腐蚀,由于涡轮叶片前缘温度更高,更容易发生腐蚀断裂。与700℃下具有良好抗疲劳和蠕变性的IN718镍基高温合金相比,GH605钴基高温合金具有更好耐热腐蚀性能,但其密度和成本较高。因此,为了提高涡轮叶片的经济效益和抗热腐蚀性能,采用激光定向能量沉积工艺制造不同位置不同成分GH605的IN718/GH605功能梯度材料具有重要意义。但是,由于不受控的熔池尺寸变化会导致沉积层中存在较大的热累积,构件容易出现气孔和微裂纹等缺陷。因此采用红外相机在线监测熔池形貌,PID算法动态调节激光功率实现熔池宽度的实时控制,避免加工过程中零件过热,从而获得成形质量较好的IN718/GH605功能梯度材料。本文的研究内容如下:（1）通过对熔池宽度的在线监测与控制,对比研究了恒定激光功率和PID控制实现的动态激光功率下沉积试样的表面形貌和成形质量:采用同轴安装的红外相机实时监测熔池形貌,图像处理提取熔池宽度数值,并基于PID算法在线调节激光功率,从而缓解IN718/GH605功能梯度材料沉积过程中的热累积。监测结果表明,PID控制的动态激光功率下熔池宽度基本保持在基准值3.0 mm,激光功率整体呈下降趋势。采用2000 W恒定激光功率沉积的试样熔道形貌显示出明显的不平整性和不均匀性,而PID控制的动态激光功率沉积试样熔道形貌分布较均匀,表面更加平整光滑。（2）通过微观组织分析和热腐蚀试验,对比研究了恒定激光功率与PID控制实现的动态激光功率下沉积试样的微观组织和抗热腐蚀性能:采用2000 W恒定激光功率沉积的IN718/GH605功能梯度材料中存在许多大小不均匀的气孔,且各沉积层界面处气孔分布较多,而PID控制的动态激光功率下沉积试样的界面熔合良好,无明显气孔等缺陷。在700℃的75%Na2SO4+25%Na Cl熔盐下热腐蚀100 h后恒定激光功率沉积试样单位面积质量增加约为动态激光功率的两倍,热腐蚀前30 h的热腐蚀速率约动态激光功率的8.5倍,表明多孔的微观组织加速了腐蚀性熔盐的渗透,采用PID控制的动态激光功率成形的IN718/GH605功能梯度材料质量更好,抗热腐蚀性能更高。（3）通过微观组织、元素成分和物相分析,研究了熔宽控制下IN718/GH605功能梯度材料的微观组织演变规律:IN718/GH605功能梯度材料的微观组织从100%IN718成分的粗柱状晶沿梯度方向逐渐过渡为100%GH605成分的均匀细小等轴晶,这两种成分之间的微观组织则以具有小等轴晶粒的柱状枝晶为主导,随GH605含量增加,晶粒变细且分布更均匀。由于功能梯度材料层间良好的冶金结合和元素扩散现象,各沉积层的元素分布显示出缓慢的梯度变化特征,X射线衍射也表明了梯度成分在结构上的均匀性。（4）通过不同环境下的热腐蚀试验,研究了熔宽控制下IN718/GH605功能梯度材料以20%变化的梯度成分在700℃和900℃的75%Na2SO4+25%Na Cl和50%Na2SO4+50%Na Cl熔盐环境下100 h的热腐蚀行为:随着GH605含量增加,试样表面产生了较多致密的保护性Cr2O3氧化层和Co Cr2O4尖晶石,且变窄的晶界阻碍了熔盐的向内扩散,使得热腐蚀速率降低,抗热腐蚀性能得到了提高。900℃下试样单位面积质量增加约为700℃的两倍多,表明高温热腐蚀环境导致合金元素与腐蚀性熔盐扩散加快,反应速率变快,导致热腐蚀程度更严重。试样在700℃的75%Na2SO4+25%Na Cl和50%Na2SO4+50%Na Cl熔盐下单位面积质量增加分别为2.42 mg/cm~2和5.51 mg/cm~2,这是由于熔盐中Na Cl含量增加,导致Cl-更快地溶解基体表面的保护性氧化层,挥发性氯化物和氯气形成的大量孔隙为熔盐中硫和氧气的流动提供了便捷的途径,造成材料的抗热腐蚀性能降低。
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