激光熔覆镍基高温合金裂纹敏感性及应力场仿真的研究

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自20世纪五十年代开始,镍基高温合金得到了较大关注及广泛应用,为了达到更优的高温抗氧化性和抗蠕变性能,更低的疲劳裂纹扩展速率,国内外研究人员进行了大量实验,而目前激光熔覆作为一种新型的制造方法,由于其快速加热冷却、凝固中元素偏析较少的特点被应用于定向凝固工艺,加之可数控增材成形的特性,在航空发动机单晶叶片的修复和制造领域有着较为广阔的前景。目前激光熔覆镍基高温合金工艺尚处于发展阶段,打印样件常出现各种缺陷,尤以裂纹为主,故工艺特性和熔覆粉末材料仍需要大量实验优化。为解决这一问题,本文从工艺和固溶元素两方面考虑激光熔覆对裂纹的影响,利用实验结合仿真的方法探寻适用于激光熔覆镍基单晶高温合金的固溶元素成份和工艺方法。本文主要内容包括:(1)设计出一种可行的试验方案,通过对粉末材料的控制配比分析,实现对单晶镍基高温合金中几种主要的固溶元素进行对比,并分析出元素对裂纹敏感性的影响。(2)通过对各试样进行热物性、流动应力等物理性能分析,建立其材料库,建立起有参考价值的数据,为激光熔覆温度场-应力场仿真有限元模型提供准确的材料参数。通过仿真,分析熔覆过程中各物理场的互相影响,并改变工艺参数,获得不同工艺参数下的应力场数据,对比数据后选择一种较为合理的试验工艺,为固溶元素配比确定及裂纹敏感性试验提供了科学方案,减少了工艺参数对裂纹敏感性的影响。(3)通过对各组分试样的温度场-应力场仿真,统计各固溶元素对熔覆时应力的影响,同时对各组分试样的强度进行数值计算,综合考虑固溶元素对材料强度的影响和对熔覆时应力的影响,结合各组分试样所统计出的裂纹总长度,对三者进行探讨,分析它们的相关程度,建立起这三者之间的关系图谱。
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