压气机叶片焊接修复夹具冷却系统传热研究

发布时间：2020-07-30 12:54

【摘要】：压气机叶片由于处在恶劣的工作环境,经常出现腐蚀、磨损和裂纹,危害飞行安全,对其进行修复可减少叶片更换成本。TC4钛合金作为压气机转子叶片常用材料,对其叶顶磨损常采用微束等离子弧焊进行修复,使其恢复原有性能,但由于TC4钛合金导热性能差,热量不易散失,高温下极易与空气反应,容易造成焊缝掺杂杂质,难以达到母材的固有强度,可靠性和安全性降低。因此,对叶片焊接修复夹具冷却系统的研究具有重要意义。首先研究了微束等离子弧普通焊接(无冷却)修复过程,采用平面双椭圆热源模型,利用COMSOL软件建立三维移动热源焊接有限元模型,得到“叶片-夹具”系统瞬态温度场分布,分析叶片和夹具间传热机理,得到叶片表面特征点的热循环曲线,计算出冷却时间,并通过实验验证了热源的正确性。其次对氩气横吹夹具表面强制冷却过程进行仿真研究,建立热场-流场耦合模型,分析冷却系统的传热过程,对比与普通焊接条件下的冷却时间,结果表明:采用氩气横吹夹具表面可带走一定的热量,但对于整个焊接热循环其冷却效果较小,且不同氩气流速冷却效果差异不大。进而提出了氩气垂直冲击冷却方式,研究了垂直冲击冷却方式下不同模型参数对冷却性能的影响,确定后续仿真参数。最后建立夹具水冷流道模型,对比了采用模型参数下的水冷散热与普通焊接下的冷却时间,分析了不同冷却水流速的冷却效果。根据分析结果,结合前一章确定的冲击模型参数,选择适合的冷热源间距和冷却水流速,建立水-气复合冷却联合仿真模型,计算结果表明:采用水-气复合冷却方法可达到较好的冷却效果,并对比了采用不同冷却方法下的冷却时间。根据仿真结果,搭建MPAW焊接实验平台,对比了采用近似复合冷却方法与普通焊接条件下的焊后试片堆焊层形貌,实验结果表明,采用复合冷却方法可减少熔池杂质吸入,提升焊接质量。
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263.6
【图文】：

形貌,损害形式,叶片

中国民航大学硕士学位论文第一章绪论题研究背景及意义空发动机被誉为现代工业的“皇冠”，作为发动机的核心，发动机叶片的整个发动机制造的 30%以上，由于其长期工作于高温高压高负荷的恶劣环叶片发生表面裂纹、高温氧化，尤其是叶顶部位所受离心力最大，最为脆损伤，严重影响发动机的使用寿命和安全性能[1,2]，而由于航空发动机叶片貌复杂，制造难度大，因此价格十分昂贵，更换成本高，所以近年来通常行评估和检测，对具有修复价值的叶片修复其表面缺陷，恢复其原有形貌接更换叶片，可带来极大的经济效益。

形貌,逆向工程,叶片

修复研究现状于在工作状态中受高温、腐蚀、冲击磨损等，使自身形貌受损而造成发动机故障，危害飞机安全。近年来，常对其进行修复来代而叶片修复技术一直是发动机维修领域的重点。国外学者对于叶较为成熟，1998 年，德国的研究学者 Berger U 等[9]针对堆焊修复去除问题，提出了一种主要用于钛合金和镍基合金等材料的多轴基于三维光电传感系统，建模仿真并规划切削路径。2001 年，美提出利用激光直接成型技术修补磨损的叶片尖端，利用同材质粉显著成本。随后，Orchowski 等人[11]通过对表面异物撞击受损的，研究不同的磨削修复深度对修复后叶片性能的影响，描述了球征。

示意图,微束等离子弧焊,示意图,叶片

术在叶片修复上的应用。随后行规划，考虑了弓高误差等对焊王浩等[22]提出了一种受损叶片再数字化模型，再采用激光熔覆技损叶片扭曲变形，可导致熔覆材]提出了叶片自适应曲面重构方优化模型。董瑶等[24]提出一种改术研究现状焊接电流小于 30A 的熔入型焊影响区小。(2)电弧稳定，挺度较

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