預熱溫度對火焰筒激光沉積質量影響的數值模擬研究

摘 要：航空發動機火焰筒極易出現各類損傷，因此研究其修復技術具有重要意義。為研究預熱溫度對激光沉積修復火焰筒內壁質量的影響，使用某有限元分析軟件對火焰筒模型進行了順序熱力耦合數值模擬。結果表明，預熱基體可以有效減小殘余應力的分布范圍，并消除局部應力集中現象；預熱后基體表面的殘余應力峰值升高，分布范圍增大，但局部應力集中現象減少；沉積層周圍沿徑向方向的殘余應力峰值降低，沿徑向方向殘余應力隨距離減小。通過研究不同預熱溫度下火焰筒模型激光沉積后的殘余應力，得到火焰筒激光沉積修復的最佳預熱溫度為300℃，為實際修復過程提供了預熱溫度參考。

關鍵詞：火焰筒； 激光沉積； 數值模擬； 預熱； 殘余應力場

中圖分類號：TG442 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.008

燃燒室是現代航空發動機的主要動力來源。火焰筒作為燃燒室的重要組成部分，是燃燒發生的主要場所，其性能直接決定航空發動機的推重比[1]。然而火焰筒長期服役在高溫高壓的惡劣環境中，較容易出現燒穿、燒蝕等嚴重損傷，此時需要采取一定的手段對其進行修復以恢復適航性能。激光沉積技術作為一種先進的增材制造手段，已廣泛應用于航空發動機結構件的修復中[2]。但由于火焰筒具有薄壁特性，加之內部結構復雜、剛性較差，因此需要對激光沉積過程中的殘余應力進行控制，以避免對后續的加工及裝配產生影響[3]，其中，預熱基體是一種控制殘余應力的有效方法，國內外許多學者已經對此進行了研究。蘇宇航等[4]研究了基體預熱溫度對機匣等離子噴涂殘余應力場的影響，發現對基體進行預熱可以有效減小最大等效應力；渠志剛等[5]分析了不同的基體預熱溫度對涂層制備后殘余應力的影響，發現基體預熱溫度在一定范圍內可以使殘余應力最小；王冉等[6]對不同基體預熱溫度下在鈦合金表面制備熔覆層的性能進行了分析，發現預熱可以有效降低應力集中；Asadi 等[7]對不同焊管材料和焊條材料的多道次惰性氣體保護電弧焊（TIG）的焊縫溫度場和殘余應力場進行了數值模擬，發現隨著基體預熱溫度的升高，殘余應力值會相應減小。綜上所述，對基體進行預熱可以有效控制殘余應力的分布范圍與大小，減小殘余應力對涂層或焊縫區域性能的影響。但目前的研究多針對機匣的熱噴涂、焊接或者平板基體模型的激光熔覆涂層性能，針對高溫鎳基合金火焰筒激光沉積過程的研究較少，而研究預熱基體對火焰筒激光沉積后殘余應力分布規律有利于指導實際修復應用。

因此，對不同預熱溫度下IN718 合金火焰筒模型激光沉積過程進行研究，通過某仿真軟件獲得沉積過程中的溫度場數據，使用順序熱-力耦合法獲得沉積結束后的殘余應力場數據，從而得出預熱溫度對沉積后殘余應力的影響，改善激光沉積修復火焰筒的性能。

1 數值模擬

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。隨后通過預定義場功能對火焰筒模型施加不同的預熱溫度，之后進行順序熱力耦合模擬，得到過程溫度場及殘余應力場，對數據進行后處理分析，最終得到最佳基體預熱溫度。