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镍基合金激光辐照应力场数值模拟及其热疲劳行为

王吉波  
【摘要】:本文以实现镍基合金激光热疲劳研究为目的。在深入分析国内外镍基合金热疲劳研究现状的基础上,对Inconel 718镍基合金激光辐照应力场的数值模拟及其热疲劳行为进行了研究。 通过ANSYS有限元分析软件建立有限元模型,分析激光辐照过程中试样的温度场、应力场、塑性应变场、应变速率以及残余应力场,并且研究加热冷却时间、激光束斑直径、试样直径和试样厚度等因素对激光辐照过程中温度、应力、应变的影响规律。通过数值模拟评估了自行研制的激光热疲劳系统的特性,在此基础上对不同热处理状态的Inconel 718合金进行激光热疲劳实验,结果表明:激光辐照后试样产生很大的温度梯度,试样表面最大温度出现在激光照射的束斑中心,最大温度梯度恰好出现在激光加热结束的瞬间。激光辐照过程中试样主要受到径向应力、轴向应力、环向应力和剪应力作用。径向应力、轴向应力和环向应力主要为压应力,当激光功率密度q=20W/mm2,束斑直径D=5mm,试样厚度Z=2.5mm,试样半径R=7.5mm,受到最大压应力可达到623MPa,在距束斑中心1~1.5mm范围内受到的剪应力最大,且最大值为230MPa。以激光束斑中心为圆心,半径大约1mm之内都可以产生塑性应变。激光功率密度,激光束斑直径、试样直径和试样厚度对温度场、应力场和应变场都会产生影响。因此,通过调整激光参数和试样尺寸可改变应力及应变的大小。Inconel 718合金激光热疲劳的试样表面发生塑性变形、产生裂纹,这可用数值模拟结果很好的解释,表明所建立的有限元模型能有效的用于激光热疲劳系统的评估,并用该系统成功实现了Inconel 718合金激光热疲劳。


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