再制造涡轮盘材料性能研究与寿命预测

摘要

航空发动机涡轮盘结构及服役环境的复杂性，导致其疲劳失效问题极为严峻，由于涡轮盘造价昂贵，直接更换经济效益太低，因此进行失效涡轮盘再制造修复研究十分迫切。激光增材制造技术在涡轮盘再制造领域应用广泛，激光增材再制造后涡轮盘质量要达到一定的要求，同时再制造后涡轮盘的服役环境也同样恶劣，与新品相比，不仅要受到叶片施加的离心力、涡轮盘本身质量产生的离心应力、由温度梯度产生的热应力等工作应力，同时还要承受再制造工艺诱发的影响。所以，本文进行涡轮盘材料再制造工艺加工试件性能分析，通过硬度检测实验、力学拉伸实验和残余应力检测实验，分析再制造后的材料物理机械性，并利用有限元法进行再制造涡轮盘在工作状态下应力应变分析，依据所得结果进行了再制造涡轮盘低周疲劳寿命预测。 本文首先通过对比实验进行涡轮盘激光增材再制造工艺参数选择，基体材料为Inconel718合金锻件，粉末材料为Inconel718球形粉末，通过观察对比不同工艺参数制造的试件微观组织，选择合适的再制造工艺参数；根据所选择的工艺参数在基体上进行Inconel718合金薄壁试件激光增材制造，利用线切割对增材制造试样进行加工，并进行直接时效热处理；在热处理前后分别进行硬度检测实验、静载力学拉伸实验及残余应力检测实验，分析再制造后材料物理力学性能。 然后，根据再制造涡轮盘结构特点，建立可以体现再制造特点的再制造涡轮盘模型，并采用合适的网格类型对该模型进行划分；赋予再制造涡轮盘基体Inconel718合金锻件材料参数，赋予再制造涡轮盘修复层Inconel718合金激光增材制造件材料参数，并根据模型特点选择相应的边界条件；在有限元基本原理的基础上，利用ABAQUS仿真软件，进行再制造涡轮盘在叶片离心力载荷、自身离心载荷、温度载荷几种典型工作载荷下应力应变分析，为再制造涡轮盘低周疲劳寿命预测提供依据。 最后，根据有限元仿真结果确定再制造涡轮盘服役条件下的局部应力应变，利用局部应力应变法中的Morrow修正公式，考虑危险点数目以及再制造工艺对低周疲劳寿命影响，进行了再制造涡轮盘低周疲劳寿命预测。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 再制造发展现状

1.2.2 涡轮盘再制造修复及材料性能研究现状

1.2.3 再制造涡轮盘疲劳寿命预测研究现状

1.2 论文的主要研究工作

2 激光增材再制造涡轮盘材料性能研究

2.1 涡轮盘再制造工艺参数选择

2.1.1 研究材料

2.1.2 实验设备

2.1.3 工艺参数确定

2.2 激光增材再制造涡轮盘材料性能检测实验

2.2.1 硬度测量实验

2.2.2 拉伸实验

2.2.3 残余应力测量实验

2.3 实验结果分析

2.3.1 硬度测量结果分析

2.3.2 拉伸实验结果分析

2.3.3 残余应力测量结果分析

2.4 本章小结

3 再制造涡轮盘应力应变状态分析

3.1 有限元分析原理及模型

3.1.1 再制造涡轮盘有限元应力应变分析原理

3.1.2 再制造涡轮盘有限元分析模型

3.2 材料性能参数

3.3 服役载荷计算与边界条件设定

3.3.1 叶片离心力

3.3.2 再制造涡轮盘自身质量离心力

3.3.3 温度载荷

3.3.4 边界条件

3.4 应力应变有限元分析结果

3.4.1 12300rpm转速时的应力应变分布

3.4.2 3800rpm转速时的应力应变分布

3.5 本章小结

4 再制造涡轮盘的低周疲劳寿命预测

4.1 局部应力应变法求解再制造涡轮盘寿命

4.1.1 局部应力应变法步骤

4.1.2 再制造涡轮盘局部应力应变的计算

4.1.3 基于局部应力应变法的疲劳寿命公式

4.1.4 再制造涡轮盘低周疲劳寿命预测

4.2 危险点个数对再制造涡轮盘低周疲劳寿命的影响

4.3 再制造工艺对再制造涡轮盘低周疲劳寿命的影响

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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