改进镍基高温合金激光金属沉积（LMD）的双色高温测量法工艺控制

研究目的
本研究旨在通过双色测温仪测量法（Two-colour Pyrometry）优化激光金属沉积（LMD）技术在镍基高温合金（Inconel 718）加工中的工艺控制，探究熔池温度及冷却速率对沉积层几何形状、微观组织和耐腐蚀性能的影响，以提升航空发动机关键部件（如涡轮叶片）的修复与制造质量。

关键方法

1. 实验装置

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• 激光系统：采用1 kW Nd:YAG激光器（波长1064 nm），通过光纤传输至同轴沉积头，聚焦光斑直径1.95 mm，高斯能量分布。

• 粉末输送：Sulzer Metco Twin 10C送粉器，氦气作为载气和保护气体，防止氧化。

• 运动控制：CNC数控平台实现三维精准移动，支持多层多方向沉积。

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4. 温度监测

• 双色高温计（Impac IGAR 12-LO MB22）：基于1.28 µm与1.65 µm双波长比值测温，范围550～2500℃，测量频率10 ms，光斑直径0.8 mm。

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• 校准与抗干扰：通过实验标定Inconel 718的发射率斜率$K=1.1425$，并加装1064 nm陷波滤光片消除激光干扰。

5. 工艺参数分析

• 调控激光功率、扫描速度、送粉速率及层间冷却时间，结合实时温度数据优化热输入与冷却速率。

• 分析沉积层形貌（高度/宽度）、稀释率（<5%）、微观组织（晶粒尺寸、析出相）及电化学腐蚀性能。

1. 熔池温度与工艺稳定性

• 双色高温计可实时监测熔池温度波动（典型值1400～1600℃），识别过热或熔合不良区域，减少气孔和裂纹缺陷。

• 温度反馈控制优化了激光-粉末-基体相互作用，确保冶金结合与低稀释率（<5%），实现高精度薄壁结构（如0.3～1 mm层厚）。

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3. 冷却速率对微观组织的影响

• 快速冷却（如层间间隔缩短）：细化γ基体晶粒（平均尺寸<10 µm），抑制δ相（Ni3Nb）析出，提升高温蠕变抗力。

• 慢速冷却：导致晶粒粗化及Laves相（富Nb脆性相）形成，降低力学性能。

4. 耐腐蚀性能

• 优化的冷却条件（平均冷却速率>100℃/s）使沉积层在3.5% NaCl溶液中腐蚀电流密度降低至$2.1\times 10^{-7}{\text{A/cm}}^2$，较传统焊接提升40%，接近锻造Inconel 718水平。

5. 几何一致性

• 温度闭环控制下，薄壁沉积的宽度偏差<±0.1 mm，表面粗糙度$R_a<5\mu \text{m}$，满足航空部件修复的尺寸公差要求。

双色高温测量法为LMD工艺提供了高精度、抗干扰的实时温度监控手段，显著降低了镍基高温合金加工中的热输入波动风险。

1. 通过调控熔池温度与冷却速率，可定制沉积层微观组织，平衡力学性能与耐腐蚀性，为航空发动机热端部件（如涡轮叶片、燃烧室）的增材制造与修复提供可靠工艺方案。

2. 该研究验证了LMD结合先进传感技术在高端工业应用中的可行性，推动航空航天领域向高效、低成本的数字化制造转型。