哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
航海制造业作为高新技术密集型产业，一直代表着世界各国制造业的发
展方向，是一个国家制造业实力和国防工业现代化水平的综合体现，而航海
高端装备的服役性能在很大程度上取决于构件性能。近年来，舰船中的燃气轮
机整体叶盘的应用逐步发展，在整体叶盘的使用过程中容易发生叶片的损伤或
折断，这时直接更换整体叶盘将造成极大的浪费，因此整体叶盘中叶片的修复
对燃气轮机的使用具有重大意义。若能将损伤或损坏的叶片进行修复，将大大
降低航海燃气轮机的成本，减少不必要的浪费，因此，本文以电弧增材制造作
为修复手段，研究该技术在此背景下的相关性能。
本文以Ti60合金为材料进行电弧增材制造仿真与试验，分析温度场、应
力场和变形的分布规律，研究增材形式、增材应力分布稳定性的沉积层高度以
及较优的增材速度。基于仿真结果，确定了一种较优的工艺方案，用于加工
Ti60合金增材构件，并研究其力学性能、显微组织和变形情况。在此基础上，
进行冷、热切削仿真试验，对比不同切削方向下的应力场和变形情况，确定最
优方案，并再次进行变形测试，验证方案的合理性。
本文通过研究电弧增材仿真，分析了温度场、应力场和变形的分布规律；
电弧增材仿真的较优参数如：单道和双道并行增材所对应的峰值温度一致，说
明单道电弧增材仿真可以来模拟双道电弧增材加工；沉积层数达到19层时，
沿高度方向，沉积层应力分布趋于稳定；较为合理的增材速度为3mm/s。显微
组织观察、硬度测试和拉伸测试发现，试样沿沉积方向出现了层带组织特征，
构件硬度最大值为267.75HV，最小值为203.86HV以及平均值为232.69HV，
沿沉积水平方向的抗拉强度高于沉积高度方向的，沿沉积高度方向的塑性延伸
强度略低于沉积水平方向的塑性延伸强度，沿沉积高度方向的断面收缩率与沉
积高度方向的断面收缩率相同；在冷切削仿真下，基座中冷切削后的纵向残余
应力低于增材后的，增材时和冷切削时的Z向位移呈对称分布，基座冷切削时
最大位移区域变小，横向切削对变形的恢复以及残余应力的重分布优化较好。
在热切削仿真下，扇叶局部区域内出现应力突变的情况，其中纵向残余压应力
最大值为250.1MPa，纵向残余拉应力峰值为953.2MPa，突变较为严重，热切
削会使位移整体增大，不能起到优化变形的作用，纵向切削对变形的恢复以及
残余应力的重分布优化较好；比较冷、热切削仿真较优结果的纵向残余应力和
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位移，确定冷切削对构件的残余应力和位移的重分布优化较好。按“电弧增材
-冷切削”方案加工构件，结果表明合理。
关键词：Ti60合金；电弧增材制造；纵向残余应力；冷切削；热切削
-II-
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Abstract
Asahigh-techintensiveindustry,thenavigationmanufacturingindustryhas
alwaysrepresentedthedevelopmentdirectionofmanufacturingindustriesin
variouscountriesaroundtheworld,andisacomprehensivereflectionofa
countrysmanufacturingstrengthandmodernizationlevelofnationaldefense
industry.Theserviceperformanceofhigh-endnavigationequipmentlargely
depend