激光沖擊強(qiáng)化鈦合金材料數(shù)值模擬

宣宏林

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受到高頻疲勞載荷作用下,裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致疲勞斷裂發(fā)生,影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及安全性能。因此在保證基體材料不變的前提下,采用表面強(qiáng)化技術(shù)用以大幅提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、延長(zhǎng)其使用壽命顯得尤為重要。傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)主要有噴丸強(qiáng)化技術(shù)(shot peening),是利用高速彈丸流對(duì)靶材表面進(jìn)行沖擊,使之發(fā)生塑性變形并形成用以抵消部件工作載荷的殘余壓應(yīng)力層,達(dá)到提高靶材疲勞性能的目的。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(laser shock peening)作為一種新型表面強(qiáng)化技術(shù),利用高功率密度、短脈沖激光輻射靶材表面時(shí)產(chǎn)生的GPa級(jí)壓應(yīng)力沖擊波對(duì)靶材進(jìn)行沖擊,可形成相對(duì)噴丸強(qiáng)化更深的殘余壓應(yīng)力層,達(dá)到更好的表面強(qiáng)化效果[1-2]。同時(shí),由于不同于噴丸強(qiáng)化的實(shí)體沖擊,激光輻射可使靶材表面形貌和表面粗糙度變化更小。另外,由于激光光斑直徑可設(shè)置,輻射位置相對(duì)噴丸強(qiáng)化可靈活調(diào)節(jié),如燕尾型榫槽等空間狹窄部位。因此,激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有極大的發(fā)展前景。激光沖擊強(qiáng)化原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化原理

由于激光沖擊強(qiáng)化主要由激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波產(chǎn)生沖擊壓力和靶材在瞬態(tài)沖擊壓力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)兩部分組成,因此對(duì)激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真研究分為對(duì)靶材施加脈沖載荷計(jì)算的顯式部分和對(duì)靶材動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真模型分析的隱式部分,且激光沖擊強(qiáng)化需要GW級(jí)功率密度和ns級(jí)沖擊時(shí)間,對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究操作具有一定困難,因此本文以具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等特性的鈦合金材料作為研究對(duì)象,基于ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST有限元分析軟件開展激光沖擊強(qiáng)化鈦合金材料的數(shù)值仿真研究。

1 有限元分析方法

本文以TC4合金(Ti-6Al-4V)葉片為研究對(duì)象,建立20mm×20mm×3mm尺寸的鈦合金材料模型,并將其劃分為沖擊區(qū)(10mm×10mm)與非沖擊區(qū),如圖2所示。

圖2 鈦合金材料網(wǎng)格模型

在顯示動(dòng)力學(xué)分析過程中,關(guān)于材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)本構(gòu)模型的選擇影響到最終分析結(jié)果[3],本文僅考慮激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真研究,不存在大應(yīng)變率仿真過程,且不考慮材料熱效應(yīng)帶來的影響,因此使用Plastic-Kinematic(P-K)模型即可滿足要求。

由于激光沖擊強(qiáng)化仿真過程中,沖擊結(jié)束后沖擊波仍在模型中傳播,因此需要延長(zhǎng)求解時(shí)間以保證模型震蕩完全,減小誤差。因此將激光沖擊強(qiáng)化仿真過程求解時(shí)間設(shè)置為500 000ns。本文中模型的激光沖擊區(qū)位于模型中心,當(dāng)模型受到激光沖擊的時(shí)候會(huì)沿半徑方向快速傳播,遇到邊界時(shí)會(huì)反射引起模型內(nèi)應(yīng)力波震蕩,因此需要在模型四周及地面設(shè)置非反射邊界條件,同時(shí)為保證外物沖擊過程中分析殘余應(yīng)力分布時(shí)不受模型變形影響,將模型除沖擊面以外各面設(shè)置全自由度約束。

激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真一般將激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波模擬成脈沖載荷施加到模型上。采用FABBRO等推導(dǎo)的激光沖擊強(qiáng)化峰值壓力估算式,計(jì)算對(duì)應(yīng)的沖擊波峰值壓力[4],如式(1)—式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中:α為等離子體內(nèi)部熱能與內(nèi)能的比值,一般情況下取值為0.1;Z1、Z2分別為靶材吸收層聲阻抗和約束層聲阻抗,本文數(shù)值仿真選擇黑膠帶作為吸收層用于吸收激光能量,選擇水作為約束層用于限制等離子體膨脹,使沖擊波的能量能更多地作用于靶材,計(jì)算后得出靶材約束層和吸收層的折合聲阻抗Z=(0.908×106)g·cm-2·s-1;I0為激光功率密度,GW·cm-2;E為激光能量,J;γ為等離子體的等熵指數(shù),一般情況下取值為0.7;d為激光光斑直徑,cm;τ為激光脈沖寬度,s。由此帶入數(shù)據(jù)后計(jì)算得出的激光沖擊波峰值壓力的單位為GPa。因此激光沖擊波峰值壓力大致等于激光功率密度的平方根。

從式(1)—式(3)可以看出,激光沖擊強(qiáng)化峰值壓力受激光能量、激光光斑直徑、激光脈沖寬度等因素影響。本文主要研究上述各種參數(shù)變化對(duì)激光沖擊強(qiáng)化結(jié)果的影響,因此本文選取不同激光能量值3 J、4 J、5 J,不同脈沖寬度值10ns、15ns、20ns,不同光斑直徑值2mm、4mm、6mm。

當(dāng)激光脈沖寬度為10ns、光斑直徑為2mm時(shí),模型所對(duì)應(yīng)的激光沖擊波峰值壓力如表1所示。

表1 不同激光能量大小沖擊波峰值壓力

當(dāng)激光能量為3J、激光光斑直徑為2mm時(shí),模型所對(duì)應(yīng)的激光沖擊波峰值壓力如表2所示。

表2 不同激光脈沖寬度沖擊波峰值壓力

當(dāng)激光能量為3J、激光脈沖寬度為10ns時(shí),模型所對(duì)應(yīng)的激光沖擊波峰值壓力如表3所示。

表3 不同激光光斑直徑?jīng)_擊波峰值壓力

研究表明,在激光沖擊強(qiáng)化仿真過程中,激光沖擊波在時(shí)間上呈現(xiàn)準(zhǔn)高斯分布,且激光沖擊波在模型上的作用時(shí)間約為脈沖寬度的2～3倍,因此將激光沖擊波壓力模擬成的脈沖載荷時(shí)間歷程曲線普遍簡(jiǎn)化成三角形函數(shù)對(duì)稱分布方式。以脈沖寬度10ns,脈沖載荷施加時(shí)間為30ns為例,0～15ns時(shí),沖擊波壓力線性達(dá)到峰值;15～30ns時(shí),沖擊波壓力沿線性減小到0,如圖3所示。

圖3 激光沖擊波壓力隨時(shí)間分布模型

在激光沖擊強(qiáng)化仿真過程中,激光沖擊波在空間上的分布往往被簡(jiǎn)化成均勻分布,但這會(huì)帶來不可忽視的誤差,YAO等在FABBRO縱向半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上, 認(rèn)為在激光沖擊強(qiáng)化仿真過程中,激光沖擊波壓力沿激光光斑半徑方向呈現(xiàn)高斯函數(shù)分布形式[5],如式(4)所示。

(4)

式中:P0(t)為激光沖擊波壓力隨時(shí)間分布曲線;R為激光光斑半徑;(x,y)為激光沖擊區(qū)域以沖擊中心為原點(diǎn)任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 殘余應(yīng)力分布

本文通過模型表面沿半徑方向各單元中心的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行有限元結(jié)果分析。激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真結(jié)果如圖4所示,各單元中心殘余應(yīng)力分布曲線如圖5所示。

圖4 激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真結(jié)果

圖5 模型表面殘余應(yīng)力分布

由圖5可知,模型沖擊處殘余壓應(yīng)力為-461.25MPa,且殘余壓應(yīng)力以沖擊處為中心隨半徑增加而減小,原因是激光沖擊波在空間呈現(xiàn)高斯分布,隨半徑增加沖擊波峰值壓力減小,因此相應(yīng)殘余壓應(yīng)力隨之減小。該殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)與北京航空航天大學(xué)孫汝劍等[6]的研究結(jié)果相近。

2.2 表面形貌變化

激光沖擊強(qiáng)化也會(huì)對(duì)模型表面形貌變化產(chǎn)生影響,本文模型厚度為3mm,沖擊中心處節(jié)點(diǎn)到底端節(jié)點(diǎn)距離為2.935mm,經(jīng)計(jì)算激光沖擊強(qiáng)化所導(dǎo)致模型表面的凹坑深度為0.065mm,凹坑直徑為2.5mm,如圖6所示。由于激光沖擊強(qiáng)化原理是等離子體短時(shí)間快速膨脹并受約束作用,從而在靶材表面形成遠(yuǎn)超靶材自身屈服強(qiáng)度的GPa級(jí)瞬態(tài)沖擊壓力,使靶材表面產(chǎn)生塑性應(yīng)變并發(fā)生動(dòng)態(tài)屈服,符合陸瑩等[7]總結(jié)的激光沖擊強(qiáng)化本質(zhì):激光沖擊強(qiáng)化在靶材表面通過塑性變形存儲(chǔ)變形能,從而形成殘余應(yīng)力場(chǎng)。因此靶材表面形貌會(huì)產(chǎn)生一定變化。

圖6 激光沖擊強(qiáng)化后模型表面形貌變化

3 結(jié)語

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,針對(duì)鈦合金材料開展了激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真研究,討論了影響激光沖擊強(qiáng)化結(jié)果的3個(gè)主要工藝參數(shù),并估算了相應(yīng)的激光沖擊波峰值壓力,確定了激光沖擊波時(shí)空分布模型。分析結(jié)果表明:

1)模型表面殘余壓應(yīng)力以沖擊處為中心隨半徑增加而減小,符合激光沖擊波空間高斯分布狀態(tài),即隨半徑增加,激光沖擊波峰值壓力減小,導(dǎo)致相應(yīng)殘余壓應(yīng)力隨之減小;

2)激光沖擊強(qiáng)化會(huì)使模型表面出現(xiàn)凹坑,形成殘余應(yīng)力,本質(zhì)在于激光沖擊強(qiáng)化使靶材表面產(chǎn)生塑性應(yīng)變并發(fā)生動(dòng)態(tài)屈服,并在靶材表面通過塑性變形存儲(chǔ)變形能,從而形成殘余應(yīng)力場(chǎng),因此靶材表面形貌會(huì)產(chǎn)生一定變化。