航空发动机压气机叶片氢致增塑行为与微动摩擦学特性研究

发布时间：2022-12-10 13:23

　　近年来,高性能航空发动机向着高推重比、低能耗方向不断发展,作为核心机之一的压气机需要通过大幅提高单级增压比、降低零部件重量等举措以满足其使用性能,致使对压气机叶片的材料、结构强度和制造工艺等方面提出更高的标准。TiAl合金凭借低密度、高比强度和优异的高温性能等优点,在航空工业领域表现出势不可挡的发展潜力。目前,大部分TiAl合金由于室温脆性差仍需要在高温条件下锻造成形,但是其热加工性能（变形温度高、流动应力大）和抗微动损伤性能较差等问题在一定程度上阻碍了TiAl合金在压气机叶片上的应用进程。有研究表明,置氢处理工艺可以改善TiAl合金热变形能力,但是由于该方法在国内起步较晚,发展尚未成熟,通过该方法改善叶片成形特性的研究较少。因此,本文基于氢致TiAl合金增塑行为,对TiAl合金叶片进行置氢处理,以改善其热机械加工成形性能,实现氢对TiAl合金塑性变形过程中变形温度和应变速率的精确调控;并在此基础上,对航发压气机TiAl合金叶片进行微动摩擦学特性研究及有限元仿真分析和优化设计,为TiAl合金材料在航空发动机叶片上的应用奠定基础。首先采用置氢处理工艺（固态置氢法）对压气机叶片材料Ti-4... 

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 TiAl合金研究概况
        1.2.1 TiAl合金的发展现状
        1.2.2 TiAl合金的晶体结构及组织控制
    1.3 氢致TiAl合金增塑行为研究现状
        1.3.1 置氢处理工艺
        1.3.2 置氢对TiAl合金高温塑性变形能力的影响
        1.3.3 置氢对TiAl合金微观组织结构的影响
    1.4 微动摩擦学特性研究
        1.4.1 微动摩擦学概述
        1.4.2 航空发动机压气机叶片材料的微动磨损行为研究现状
    1.5 研究内容
    1.6 技术路线
第二章 航发压气机叶片用置氢TiAl合金室温组织性能
    2.1 引言
    2.2 实验材料与方法
        2.2.1 实验材料
        2.2.2 固态置氢处理
        2.2.3 微观组织分析
        2.2.4 室温显微硬度测试
    2.3 氢对合金室温组织的影响
    2.4 氢对合金显微硬度的影响
    2.5 本章小结
第三章 航发压气机叶片用置氢Ti-45Al-9Nb合金高温变形行为及组织演变规律
    3.1 引言
    3.2 试验过程
    3.3 置氢Ti-45Al-9Nb合金高温变形力学行为
        3.3.1 Ti-45Al-9Nb合金真实应力-应变曲线特征分析
        3.3.2 应变速率对流动应力的影响
        3.3.3 变形温度对流动应力的影响
    3.4 Ti-45Al-9Nb合金高温变形本构方程
    3.5 置氢Ti-45Al-9Nb合金高温变形组织演变规律
        3.5.1 氢对组织演变规律的影响
        3.5.2 应变速率对组织演变规律的影响
        3.5.3 变形温度对组织演变规律的影响
    3.6 置氢TiAl合金裂纹扩展机制研究
    3.7 本章小结
第四章 航发压气机叶片微动摩擦学特性
    4.1 引言
    4.2 微动摩擦磨损试验
    4.3 未置氢与置氢Ti-45Al-9Nb合金切向微动磨损的运行行为
        4.3.1 摩擦力-位移幅值曲线
        4.3.2 运行工况微动图
        4.3.3 微动摩擦系数
    4.4 切向微动磨损表面形貌
        4.4.1 磨痕深度
        4.4.2 未置氢与置氢Ti-45Al-9Nb合金微动表面磨损形貌
    4.5 本章小结
第五章 航发压气机叶片有限元仿真分析及其结构优化
    5.1 引言
    5.2 流固耦合仿真分析原理
        5.2.1 流体控制方程
        5.2.2 固体控制方程
        5.2.3 流固耦合控制方程
        5.2.4 湍流模型
    5.3 压气机叶片三维几何模型
        5.3.1 压气机叶片及轮盘固体域建模
        5.3.2 压气机叶片外流体域几何建模
    5.4 流固耦合计算平台搭建
    5.5 流固耦合仿真分析
        5.5.1 气动流场仿真分析
        5.5.2 结构强度分析
    5.6 流固耦合计算结果及分析
        5.6.1 叶片等效应力和变形位移结果分析
        5.6.2 叶片优化设计及结果分析
    5.7 叶片模态分析
    5.8 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]合金元素对β-γTiAl合金热处理组织的影响[J]. 徐萌,张树志,赵宇,张长江,林鹏,韩建超,朱冬冬.  稀有金属材料与工程. 2019(01)
[2]Recent development of casing treatments for aeroengine compressors[J]. Xiaofeng SUN,Xu DONG,Dakun SUN.  Chinese Journal of Aeronautics. 2019(01)
[3]航空发动机复合材料静子叶片研究进展[J]. 王燚林,刘天生,刘东,史鹏程,祝颖丹,陈明达.  玻璃钢/复合材料. 2018(12)
[4]榫连接结构高温低周微动疲劳试验[J]. 王楠,崔海涛,张宏建.  航空动力学报. 2018(12)
[5]航空发动机发展简述及趋势探索[J]. 高玉龙.  现代制造技术与装备. 2018(07)
[6]置氢Ti-55钛合金变形本构方程及高温增塑机理研究[J]. 纪博宇,李细锋,李剑飞.  塑性工程学报. 2018(01)
[7]TiAl基合金成形技术的研究现状[J]. 张琛,杨森,颜银标.  兵器材料科学与工程. 2017(04)
[8]高Nb-TiAl合金高温固态置氢组织与高温变形行为[J]. 马腾飞,陈瑞润,郭景杰,丁宏升,苏彦庆,傅恒志.  稀有金属材料与工程. 2017(S1)
[9]Hot deformation behavior and microstructural evolution of powder metallurgical TiAl alloy[J]. Na Liu,Zhou Li,Wen-Yong Xu,Yue Wang,Guo-Qing Zhang,Hua Yuan.  Rare Metals. 2017(04)
[10]损伤容限型钛合金TC4-DT的微动磨损性能[J]. 丁燕,梁军,邓凯,柏林,戴振东.  中国有色金属学报. 2017(03)

博士论文
[1]置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金高温变形规律及改性机理研究[D]. 温道胜.哈尔滨工业大学 2016
[2]航空发动机压气机叶片流固耦合振动的动力学特性研究[D]. 王丹.哈尔滨工业大学 2016



本文编号：3716825