Thermo-Structural Coupled Finite Element Analysis of Repair Process for Steam Turbine Blade Using Laser-Directed Energy Deposition Method

材料科学 涡轮叶片 有限元法 沉积(地质) 残余应力 复合材料 结构工程 涡轮机 机械工程 工程类 沉积物 生物 古生物学
作者
Masayuki Arai,S. Fujita,Yuxian Meng,Taisei Izumi
出处
期刊:Journal of Thermal Spray Technology [Springer Nature]
卷期号:33 (6): 1815-1826 被引量:1
标识
DOI:10.1007/s11666-024-01814-3
摘要

Abstract This study presents a numerical additive manufacturing simulation aimed at simulating the shape recovery process of a steam turbine blade damaged by corrosion, using laser-directed energy deposition (LDED). The simulation integrates the finite element (FE) method with heat conduction and thermo-elastoplastic constitutive equations, incorporating phase transformation. The additive manufacturing process by LDED was modeled using the death-birth algorithm, wherein a deposition layer is defined as a virtual element. Its stiffness and thermal properties activated when the laser irradiation regions overlapped. In this study, the shape of the virtual element was determined based on the cross-sectional shape of the deposition layer manufactured under various laser conditions. To validate the numerical simulation results, additive manufacturing was conducted for one pass deposition in the width direction at the center of a cantilever-supported plate made of SUS304 steel, and the changes in displacement at the free edges with respect to the process time were compared. The obtained FE results are in good agreement with the experimental results. Finally, an FE simulation was performed for the shape recovery of a steam turbine blade thinned due to corrosion damage. The results revealed that the residual stress component becomes more compressive as the laser output decreases and scanning speed increases, which is advantageous for improving the fatigue strength of steam turbine blades.

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