镍基高温合金激光修复区低周疲劳性能及寿命预测研究

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中文摘要：燃气涡轮机械被誉为高端装备制造业“皇冠上的明珠”，主要集中应用于能源动力、军事装备、工业驱动等关乎国家命脉和民生经济的战略领域。由于工业燃气轮机中的叶片、喷嘴、燃烧室等热端高温部件在制造过程中的缺陷以及恶劣的高温服役环境，轮机部件易发生疲劳和损伤。激光增材修复技术为高温部件损伤的修复提供了解决方案。然而，激光增材修复过程常存在冶金缺陷、Laves有害相、残余拉应力等共性难点，导致修复区疲劳性能较差，疲劳寿命难以评估等问题，严重影响了该技术的推广应用。为此，本文以IN718镍基高温合金为对象，展开对激光增材修复区的疲劳性能及寿命预测方法研究，为修复区的可靠性设计提供理论支撑。基于当前激光增材修复技术需求和研究现状，搭建了激光增材修复实验平台，探索了激光增材修复镍基高温合金的实验工艺，获得了致密无明显缺陷的修复试样；同时针对疲劳循环特性以及疲劳断裂机制两个方面对激光增材修复试样疲劳性能开展深入研究，明确了修复试样的低周疲劳循环特性与断裂失效机制。在此基础上结合激光修复特征残余应力和Tanaka-Mura-Wu模型，建立激光增材修复件的疲劳寿命预测模型，实现对修复区的低周疲劳寿命预测。本文的主要结论如下：（1）采用IN718材料制作了致密无缺陷的激光修复区，并开展了疲劳试验、拉伸试验和硬度试验。拉伸试验结果表明，与基体IN718材料相比，试样修复区的屈服强度、抗拉强度、塑性均有明显下降。显微硬度测量结果显示，修复区的硬度较基体提高了23%。经SEM分析可知，修复区分布着大量Laves相，其含量沿修复区的厚度方向从顶部的3%下降低到底部1.5%，与沿硬度分布的趋势一致，Laves相是造成IN718材料塑性下降、硬度上升的主要原因。塑性的下降也导致了疲劳性能的下降。（2）针对修复区循环应力应变曲线进行内应力分析，构造了一次完整循环过程的内应力滞回曲线，其中摩擦应力为矩形闭环，背应力为梭形闭环。随后对塑性应变下的内应力滞回曲线进行构造，发现由于棘轮效应的存在背应力梭形不闭合，这与母材不一致。进一步对修复区棘轮效应开展研究，发现修复区棘轮效应分为三个阶段并在应力为600MPa时达到峰值。此外，修复区在循环过程存在循环硬化/软化混合行为，修复区为Masing特性材料且存在Bauschinger效应。（3）对修复区断口进行分析发现，裂纹萌生方式为多源起裂，裂纹扩展方式为穿晶扩展，其断裂方式属于脆韧性混合断裂。对修复区组织进一步分析得出，修复区小角度晶界含量较高，导致疲劳过程存在连续动态再结晶过程，致使修复区小晶界向大晶界转变。这一过程伴随着修复区内部柱状晶粒被拉长拉断，达到了晶粒细化的效果。此外激光修复过程产生Laves相在疲劳过程中起到延缓裂纹扩展的作用，δ相则让裂纹更易萌生。（4）利用数值模拟计算结合肯德尔系数，得到残余应力与修复区疲劳寿命有着很强的负相关性。因此结合残余应力和静态应变能理论对Tanaka-Mura-Wu模型作出修正，得到Tanaka-Mura-Wu修正模型，并针对模型编写了寿命预测系统。最后利用疲劳试验所得数据对模型进行验证，发现预测结果良好。

作者：

应蒋杰

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关键词：

镍基高温合金激光增材修复寿命预测低周疲劳残余应力

授予学位：

硕士

学科专业：

机械工程

导师：

姚建华、姚喆赫

学位年度：

2022

学位授予单位：

浙江工业大学

语种：

中文

中图分类号：