摘要 针对航空发动机空心涡轮叶片激光快速成形(LRF) ,建立了温度场/ 应力场瞬态模型,采用有限单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程. 采用随动强化及米塞斯屈服准则进行了热弹塑性分析,通过间接耦合模拟了TC4 钛合金空心叶片激光快速成形的温度场/ 应力场演变过程. 结果分析表明,在TC4 钛合金空心叶片激光快速成形过程中,随着熔池的移动和成形高度的增加,温度场和应力场动态演化,其中由于基座的冷却及约束作用和熔池加热及应力释放作用,激光快速成形空心叶片温度和应力/ 应变场沿高度(z 轴) 方向呈梯度分布. 温度场上高下低,散热方向从上至下,从熔池到基座;应力场下高上低,叶根等效应力最大. 空心叶片激光快速成形结束冷却到室温,残余应力与熔覆过程应力分布规律基本相同,只是叶片顶部等效应力有所提高.
1 引 言
激光快速成形(LRF) 技术是在快速原型技术和大功率激光熔覆技术的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术. 由于借鉴了快速原型技术“离散+ 堆积"的增材制造思想,同时将仅在零件表面和局部区域获得的激光熔凝组织通过多层熔覆扩展到整个三维实体零件,从而能够实现具有高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具、近净成形. 这项技术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造,在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景[1 ] . 新一代先进高推重比航空发动机要求空心涡轮叶片在保证材料组织性能的前提下具有复杂形面及精细的气膜冷却内部通道,以满足叶片在极端苛刻环境下长时间稳定可靠工作的要求[2 ] . 激光快速成形技术给高推比发动机航空空心叶片的成形提供了一个简单、快速、低成本的从粉末到整件的柔性制造技术. 美国Sandia 国家实验室( Sandia NationalLaboratories) [3 ] 进行了激光快速成形空心叶片研究工作. 国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室也开展了空心叶片激光快速成形及相关技术研究.
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