预热温度对火焰筒激光沉积质量影响的数值模拟研究

摘 要：航空发动机火焰筒极易出现各类损伤，因此研究其修复技术具有重要意义。为研究预热温度对激光沉积修复火焰筒内壁质量的影响，使用某有限元分析软件对火焰筒模型进行了顺序热力耦合数值模拟。结果表明，预热基体可以有效减小残余应力的分布范围，并消除局部应力集中现象；预热后基体表面的残余应力峰值升高，分布范围增大，但局部应力集中现象减少；沉积层周围沿径向方向的残余应力峰值降低，沿径向方向残余应力随距离减小。通过研究不同预热温度下火焰筒模型激光沉积后的残余应力，得到火焰筒激光沉积修复的最佳预热温度为300℃，为实际修复过程提供了预热温度参考。

关键词：火焰筒； 激光沉积； 数值模拟； 预热； 残余应力场

中图分类号：TG442 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.008

燃烧室是现代航空发动机的主要动力来源。火焰筒作为燃烧室的重要组成部分，是燃烧发生的主要场所，其性能直接决定航空发动机的推重比[1]。然而火焰筒长期服役在高温高压的恶劣环境中，较容易出现烧穿、烧蚀等严重损伤，此时需要采取一定的手段对其进行修复以恢复适航性能。激光沉积技术作为一种先进的增材制造手段，已广泛应用于航空发动机结构件的修复中[2]。但由于火焰筒具有薄壁特性，加之内部结构复杂、刚性较差，因此需要对激光沉积过程中的残余应力进行控制，以避免对后续的加工及装配产生影响[3]，其中，预热基体是一种控制残余应力的有效方法，国内外许多学者已经对此进行了研究。苏宇航等[4]研究了基体预热温度对机匣等离子喷涂残余应力场的影响，发现对基体进行预热可以有效减小最大等效应力；渠志刚等[5]分析了不同的基体预热温度对涂层制备后残余应力的影响，发现基体预热温度在一定范围内可以使残余应力最小；王冉等[6]对不同基体预热温度下在钛合金表面制备熔覆层的性能进行了分析，发现预热可以有效降低应力集中；Asadi 等[7]对不同焊管材料和焊条材料的多道次惰性气体保护电弧焊（TIG）的焊缝温度场和残余应力场进行了数值模拟，发现随着基体预热温度的升高，残余应力值会相应减小。综上所述，对基体进行预热可以有效控制残余应力的分布范围与大小，减小残余应力对涂层或焊缝区域性能的影响。但目前的研究多针对机匣的热喷涂、焊接或者平板基体模型的激光熔覆涂层性能，针对高温镍基合金火焰筒激光沉积过程的研究较少，而研究预热基体对火焰筒激光沉积后残余应力分布规律有利于指导实际修复应用。

因此，对不同预热温度下IN718 合金火焰筒模型激光沉积过程进行研究，通过某仿真软件获得沉积过程中的温度场数据，使用顺序热-力耦合法获得沉积结束后的残余应力场数据，从而得出预热温度对沉积后残余应力的影响，改善激光沉积修复火焰筒的性能。

1 数值模拟

本文所提研究的主要流程如图1 所示。首先在前处理中建立热力耦合模型，选择热源模型并建立火焰筒有限元模型。随后通过预定义场功能对火焰筒模型施加不同的预热温度，之后进行顺序热力耦合模拟，得到过程温度场及残余应力场，对数据进行后处理分析，最终得到最佳基体预热温度。