預(yù)熱溫度對(duì)火焰筒激光沉積質(zhì)量影響的數(shù)值模擬研究

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒極易出現(xiàn)各類損傷，因此研究其修復(fù)技術(shù)具有重要意義。為研究預(yù)熱溫度對(duì)激光沉積修復(fù)火焰筒內(nèi)壁質(zhì)量的影響，使用某有限元分析軟件對(duì)火焰筒模型進(jìn)行了順序熱力耦合數(shù)值模擬。結(jié)果表明，預(yù)熱基體可以有效減小殘余應(yīng)力的分布范圍，并消除局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；預(yù)熱后基體表面的殘余應(yīng)力峰值升高，分布范圍增大，但局部應(yīng)力集中現(xiàn)象減少；沉積層周圍沿徑向方向的殘余應(yīng)力峰值降低，沿徑向方向殘余應(yīng)力隨距離減小。通過研究不同預(yù)熱溫度下火焰筒模型激光沉積后的殘余應(yīng)力，得到火焰筒激光沉積修復(fù)的最佳預(yù)熱溫度為300℃，為實(shí)際修復(fù)過程提供了預(yù)熱溫度參考。

關(guān)鍵詞：火焰筒； 激光沉積； 數(shù)值模擬； 預(yù)熱； 殘余應(yīng)力場

中圖分類號(hào)：TG442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.008

燃燒室是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)恿碓础；鹧嫱沧鳛槿紵业闹匾M成部分，是燃燒發(fā)生的主要場所，其性能直接決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比[1]。然而火焰筒長期服役在高溫高壓的惡劣環(huán)境中，較容易出現(xiàn)燒穿、燒蝕等嚴(yán)重?fù)p傷，此時(shí)需要采取一定的手段對(duì)其進(jìn)行修復(fù)以恢復(fù)適航性能。激光沉積技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造手段，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的修復(fù)中[2]。但由于火焰筒具有薄壁特性，加之內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性較差，因此需要對(duì)激光沉積過程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，以避免對(duì)后續(xù)的加工及裝配產(chǎn)生影響[3]，其中，預(yù)熱基體是一種控制殘余應(yīng)力的有效方法，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究。蘇宇航等[4]研究了基體預(yù)熱溫度對(duì)機(jī)匣等離子噴涂殘余應(yīng)力場的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱可以有效減小最大等效應(yīng)力；渠志剛等[5]分析了不同的基體預(yù)熱溫度對(duì)涂層制備后殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)基體預(yù)熱溫度在一定范圍內(nèi)可以使殘余應(yīng)力最小；王冉等[6]對(duì)不同基體預(yù)熱溫度下在鈦合金表面制備熔覆層的性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱可以有效降低應(yīng)力集中；Asadi 等[7]對(duì)不同焊管材料和焊條材料的多道次惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG）的焊縫溫度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著基體預(yù)熱溫度的升高，殘余應(yīng)力值會(huì)相應(yīng)減小。綜上所述，對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱可以有效控制殘余應(yīng)力的分布范圍與大小，減小殘余應(yīng)力對(duì)涂層或焊縫區(qū)域性能的影響。但目前的研究多針對(duì)機(jī)匣的熱噴涂、焊接或者平板基體模型的激光熔覆涂層性能，針對(duì)高溫鎳基合金火焰筒激光沉積過程的研究較少，而研究預(yù)熱基體對(duì)火焰筒激光沉積后殘余應(yīng)力分布規(guī)律有利于指導(dǎo)實(shí)際修復(fù)應(yīng)用。

因此，對(duì)不同預(yù)熱溫度下IN718 合金火焰筒模型激光沉積過程進(jìn)行研究，通過某仿真軟件獲得沉積過程中的溫度場數(shù)據(jù)，使用順序熱-力耦合法獲得沉積結(jié)束后的殘余應(yīng)力場數(shù)據(jù)，從而得出預(yù)熱溫度對(duì)沉積后殘余應(yīng)力的影響，改善激光沉積修復(fù)火焰筒的性能。

1 數(shù)值模擬

本文所提研究的主要流程如圖1 所示。首先在前處理中建立熱力耦合模型，選擇熱源模型并建立火焰筒有限元模型。隨后通過預(yù)定義場功能對(duì)火焰筒模型施加不同的預(yù)熱溫度，之后進(jìn)行順序熱力耦合模擬，得到過程溫度場及殘余應(yīng)力場，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析，最終得到最佳基體預(yù)熱溫度。