高温合金激光冲击残余应力场中高温释放试验与有限元分析

摘要

高温合金主要用于航空发动机的热端部件，工作环境复杂，既承受高温又承受交变载荷作用，破坏一般发生在表面微裂纹处。激光冲击强化处理产生的残余压应力可以提高材料表面疲劳强度和疲劳寿命，抑制裂纹形成与扩展，但在中高温服役环境下材料表面残余压应力会释放，导致激光冲击强化效果减弱。因此，研究激光冲击强化处理对高温合金热稳定性很有必要。本文利用有限元模拟与试验研究相结合的方法，对激光冲击强化镍基高温合金残余应力热释放过程进行了研究，主要研究内容与成果如下:
　　(1)运用有限元分析软件ANSYS/LS DYNA建立了激光冲击强化镍基高温合金的有限元模型，模拟得到了稳定的残余应力场。
　　(2)运用有限元模拟方法研究了激光冲击强化GH4169镍基高温合金残余应力在500℃、600℃、700℃环境下变化规律，主要讨论了温度和保温时间对残余应力的影响。结果表明:对于镍基高温合金GH4169，在选定温度下，残余压应力会释放，且释放速率在最初1h内较大，在25℃～600℃范围内，释放速率随温度的升高而增大，温度超过600℃以后，释放速率减小并逐渐趋于稳定。在700℃，GH4169中仍存在一定的残余压应力，表明激光冲击还保持一定强化效果。分析结果表明，温度对残余应力的影响要比保温时间对残余应力的释放影响显著。由再结晶和位错攀移导致位错消失的类似蠕变机理是GH4169镍基高温合金残余应力释放的主要机制。当镍基高温合金GH4169残余应力值下降到低于选定温度下其蠕变强度时，应力释放的驱动力减小，释放减弱甚至停止。
　　(3)综合运用数值模拟和试验相结合的方法，研究了200℃～700℃温度范围内热处理对激光冲击强化后K417镍基高温合金残余应力的影响规律，并对K417高温合金的硬度和显微组织热稳定性进行了分析研究。结果表明:试验测量数据与模拟数据有着较好的一致性。应力释放速率在最初30min内较大，释放速率随温度升高而逐渐加大，但在700℃仍存在一定的残余压应力，保温60min后材料残余应力场分布更加均匀。试样在600℃保温10h后，硬度部分下降，但应力层硬度仍高于未经激光冲击处理的试样，强化效果仍较明显。常温下激光冲击强化试样硬度增大的主要原因是晶粒细化和位错密度增大，而高温下硬度下降的主要原因是位错攀移、位错密度减小和晶粒再结晶。经激光冲击强化后，K417高温合金表面层位错密度增加，表面能增加。对激光冲击强化单晶镍基高温合金在650℃进行退火处理，未见显微组织发生明显变化，说明激光冲击强化处理后显微组织热稳定性较好。高密度位错和较低的冷作硬化率的共同作用提高了激光冲击强化镍基高温合金显微组织的热稳定性。因此，镍基高温合金经激光冲击强化后硬度、残余应力和微观组织都具有较好的热稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击强化处理技术简述

1．2．1 激光冲击强化基本原理

1．2．2 激光冲击处理技术国内外发展现状

1．3 激光冲击强化诱导残余应力热释放研究现状

1．4 本文主要研究内容和选题意义

1．4．1 选题意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 激光冲击理论与有限元分析理论基础

2．1 引言

2．2 激光冲击强化理论基础

2．2．1 冲击波的产生与传播

2．2．2 冲击波峰值压力估算

2．2．3 残余压应力的形成原理

2．3 有限元分析的理论基础

2．3．1 有限元法简介

2．3．2 激光冲击强化有限元分析理论基础

2．3．3 热释放温度场有限元分析理论

2．4 本章小结

第三章 激光冲击镍基高温合金应力场与热释放数值模拟

3．1 引言

3．2 激光冲击强化过程有限元模型的建立

3．2．1 几何模型的创建

3．2．2 网格划分和单元的选择

3．2．3 材料本构模型确定

3．2．4 冲击波压力载荷的加载

3．2．5 边界条件及求解控制的选择

3．3 应力场求解结果分析

3．3．1 冲击波的传播

3．3．2 残余应力场的分析

3．4 激光冲击参数对残余应力场的影响

3．4．1 功率密度对残余应力场的影响

3．4．2 激光冲击次数对残余应力场的影响

3．5 残余应力热释放分析

3．5．1 残余应力热释放数值模拟

3．5．2 热释放分析模型

3．6 本章小结

第四章 激光冲击镍基高温合金试验与数值模拟对比研究

4．1 引言

4．2 激光冲击试验

4．2．1 试验装置与材料

4．2．2 试验参数的确定

4．3 残余应力场的产生及中高温热释放处理

4．3．1 激光冲击强化K417高温合金诱导残余应力场

4．3．2 高温合金残余应力热释放试验

4．4 残余应力模拟结果与试验测量结果对比分析

4．4．1 应力场与温度场的有限元分析过程

4．4．2 模拟结果与试验测量结果对比

4．5 激光冲击强化镍基高温合金硬度的热稳定性

4．6 激光冲击强化镍基高温合金显微组织的热稳定性

4．6．1 激光冲击强化镍基高温合金显微组织变化

4．6．2 激光冲击强化处理微观组织的热稳定性分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文与科研情况