TC4 鈦合金超聲噴丸強化殘余應力數值模擬分析

王業輝

（中國航空發動機集團公司，北京100097）

0 引言

疲勞被認為是金屬構件失效的最大單一過程，導致了大約90%的金屬失效。構件的疲勞失效是由表面或近表面損傷造成的。對結構件的表面采用常規的噴丸[1-2]、深滾壓[3]、超聲噴丸（USP）[4-5]及激光沖擊噴丸[6-7]等不同工藝進行改性來提高疲勞壽命。隨著葉片、葉盤輕量化和整體化設計，考慮薄壁區域的表面強化工藝抑制裂紋萌生，同時也要考慮噴丸過程薄壁區域出現的應力引起的變形。超聲噴丸利用超聲波發生器，通過變幅桿和振動頭將電信號轉換為高頻振動的機械能。通過振動頭激勵，彈丸在密閉空間隨機振動，達到沖擊強化零件表面的目的。

傳統的噴丸處理可提高Ti-6Al-4V 合金的微動疲勞壽命，并將其歸因于誘導的殘余壓應力和晶粒細化[8-11]。Tsuji 等[12]研究了離子滲碳和傳統噴丸對Ti-6Al-4V 合金高循環疲勞（HCF）的影響，并觀察到由于相應的殘余壓應力和表面區域的加工硬化，疲勞壽命明顯改善；A. Sandá 等[13]研究分析了Inconel 718 合金超聲波噴丸硬化的表面狀態：加工時間，噴丸材料和數量以及輻射表面與樣品距離的影響。超聲波噴丸（USP）由超聲波、變幅桿、振動頭以及適合工件幾何形狀的腔室及彈丸等組成。李源等[14]采用有限元軟件ABAQUS 建立1 種彈丸在空間位置隨機分布的彈丸束噴丸模型，在此模型基礎上研究了噴丸工藝參數與殘余應力間的分布規律；德國MTU 公司[15]采用超聲噴丸替代傳統噴丸進行了大量試驗，研究超聲噴丸強化相對于傳統噴丸強化對Ti-6Al-4V （Ti64）和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti6246）的近表面區域表面粗糙度和殘余應力的影響。詳細研究了2 種材料的疲勞行為及斷裂特性，證明了噴丸處理能夠將裂紋萌生從表面轉∑到次表面區域，延緩疲勞失效的發生，從而顯著提高部件的疲勞壽命。德國MTU 公司[16]認為超聲噴丸主要的優勢包括：殘余應力的精確工藝控制；能獲得較為理想的粗糙度，適應薄壁件強化要求的變形控制；滿足葉片進排氣邊設計參數要求。噴丸強化已成為提升零件表面質量、提高表面完整性、滿足航空發動機長壽命及高可靠性要求的的重要技術手段。因此，對殘余應力的影響因素進行準確地探究顯得尤為重要。

本文以TC4 鈦合金為對象，基于ABAQUS 對不同參數條件下試件的凹痕深度和殘余應力場等進行分析。

1 仿真模型

1.1 超聲噴丸數值仿真流程

模型工作流程如圖1 所示。該流程主要分為3 個階段：

第1 階段：建立3 維模型，基于ABAQUS 進行模型裝配，并劃分網格；

第2 階段：對分析步、接觸及約束條件及振動頭振動進行設置；

第3 階段：對速度、位∑、應力及應變等量進行提取。

圖1 模型工作流程

1.2 仿真工藝參數設置

本次仿真通過UG 建立模型，超聲噴丸過程原理如圖2 所示，腔室設計如圖3 所示。

圖2 超聲噴丸過程

圖3 腔室設計

基于ABAQUS 進行有限元仿真，通過改變振動頭振幅、彈丸直徑和彈丸數量來研究超聲噴丸對試件殘余應力產生的影響。在這3 方面研究中，采用相同的腔室及試塊模型，噴丸時間分別為3.50、1.00 和0.85 s。仿真過程中工藝參數及材料屬性見表1、2。

分別對模型分析步、場變量輸出、歷程變量輸出、接觸條件、邊界條件約束及網格模型劃分進行設置，仿真過程中對腔室、振動頭及彈丸采用剛體約束，不考慮變形，試件采用變形實體設置。

表1 工藝參數及腔室尺寸

表2 各部件材料屬性

2 超聲噴丸過程中工藝參數對殘余應力場的影響分析

2.1 振動頭振幅對試件殘余應力場的影響分析

基于模型e、f、g 分析振動頭振幅對試件的殘余應力場的影響。振動頭振幅分別設置為60、80 和100 μm，進行2.5 s 超聲噴丸仿真，對試塊的殘余應力場進行對比分析。

圖4 不同振幅下試塊下表面殘余應力場

輸出200 MPa 以上試塊表面殘余壓應力場如圖4（a）、（b）、（c）所示。從圖中可見，表面殘余壓應力值及分布面積逐漸增加；輸出800 MPa 以上試塊表面殘余壓應力場如圖4（d）、（e）、（f）所示。從圖中可見，隨著振幅的增加，試塊表面殘余壓應力值及分布面積有增加的趨勢。

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在試塊下表面以下0.5、1.0、1.5、2、2.5 mm 深度截面處，60、80、100 μm 3 種不同振幅模型中，試塊下表面大于500 MPa 殘余壓應力場分布的比較如圖5所示。從同一振幅不同深度殘余壓應力場可見，隨著深度的增加，殘余壓應力分布面積及值逐漸減小；對比不同振幅同種深度殘余壓應力場可見，隨著振幅的增加，殘余壓應力值及分布面積都在逐漸增大。

對試塊頂部表面截取相同高度部分，比較不同振幅下彈坑的深度，通過對比可知，隨著振幅的增加，彈坑的密度和直徑逐漸增大。

將最深彈坑底部作為殘余應力截面的提取起始平面，如圖6 所示。從圖中可見，由基準面向下取截面比圖5 殘余壓應力分布稍有減少，說明部分彈坑的存在對逐層分析會產生一些影響，從位∑場可見，在3種振幅下，最深彈坑分別為0.89、1.00、1.14 mm，分別沿3 種新建平面向下截取4 個平面，分別為0、0.5、1.0、1.5 mm，明顯可見，隨著深度的增加，殘余壓應力分布面積和值逐漸減小；對比不同振幅同種深度殘余壓應力場時明顯可見，隨著振幅的增加，殘余壓應力值和分布面積都在逐漸增大。對每種振幅模型試塊下表面沿較明顯的凹坑建立3 條垂直的路徑時可見，每行的曲線與該行的殘余應力分布均可對應，且從縱向來看，隨著振幅的增加，殘余應力曲線中殘余壓應力層隨之變大，與云圖分布相符合。

對比每種振幅模型下的殘余應力曲線與左側殘余壓應力可見所對應彈坑每層殘余壓應力所對應的值。

圖5 不同振幅下試塊沿表面向下每層殘余壓應力分布

對比60、80、100 μm 振幅下的殘余應力場及殘余應力曲線可見，隨著振幅的增加，在相同時間內，試塊下表面和沿基準面向下每層殘余壓應力均增加，由殘余應力曲線也可見，殘余壓應力層深逐漸增加。由此可以得出，在單位時間內，其他條件不變的情況下，增加振動頭振幅可以增加試塊下表面和試塊表層以下沿縱向的殘余壓應力，且可以增加殘余壓應力的平均層深。

2.2 彈丸數量對試件殘余應力場的影響分析

基于模型d、h、i 分析彈丸數量對試件的殘余應力場的影響。彈丸數量分別設置為100、150、200 個，進行1 s 超聲噴丸仿真，對試塊的殘余應力場進行對比分析。

對試塊下表面輸出大于300 MPa 殘余壓應力場，如圖7 所示。從圖中可見，隨著彈丸數量的增多，殘余壓應力分布的區域逐漸增大，為了探究沿深度方向的殘余壓應力，需要對試塊取平均凹坑深度為基準面向下逐層剖切。

在位∑場中，對100、150、200 個彈丸模型試塊下表面分別取25 個凹坑深度，得出凹坑深度分別為0.128、0.129、0.129 mm，在逐層分析中，取距離表面0.13 mm 為基準面進行分析，如圖8 所示。

取點計算平均凹坑深度：取下表面0.13 mm 處為基準面，分別向下取0.5、1.0、1.5 mm 截面，如圖9所示。對比3 組模型可見，隨著彈丸數量增多，在同一深度截面，產生殘余壓應力的區域增大，然而等效塑性應變的深度較為相似，幾乎沒有變化，僅是同一截面發生塑性變形的區域增加。

圖6 不同振幅下試塊沿基準面向下每層殘余壓應力分布

圖7 不同彈丸數量下試塊下表面殘余應力場

圖8 不同彈丸數量下試塊下表面凹坑深度統計

與圖6 中改變不同振幅模型相比，雖然同一深度截面增加振幅與增加彈丸數量都能使殘余壓應力區域增大，但在深度方向，增大振幅可以提高殘余壓應力及塑形區貫穿試塊深度的能力，而增加彈丸數量僅能增加同一深度的區域范圍。

對比100、150、200 個彈丸模型的殘余應力場可見，隨著彈丸數目的增加，在相同時間內，試塊下表面及沿基準面向下的殘余壓應力分布范圍增加，由此可以得出，在單位時間內，在其他條件不變的情況下，增加彈丸的數目可以增加試塊下表面的殘余壓應力分布范圍，但沿深度方向殘余壓應力的值并未增大，殘余壓應力層深沒有明顯增加。

2.3 彈丸直徑對試件殘余應力場的影響分析

基于模型a、b、c 分析彈丸直徑對試件的殘余應力場的影響。彈丸直徑分別設置為0.5、1.0、2.5 mm，進行0.85 s 超聲噴丸仿真，對試塊的殘余應力場進行對比分析。

圖9 不同彈丸數量下試塊沿基準面向下每層殘余壓應力分布

圖10 不同彈丸直徑模型中試塊下表面凹坑深度統計

圖11 不同彈丸直徑模型中試塊下表面殘余應力場分布

圖12 不同彈丸直徑下試塊沿基準面向下每層殘余壓應力分布

在位∑場中，對0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型試塊下表面分別取20 個凹坑深度，如圖10 所示。由于0.5 mm 直徑彈丸模型中彈坑深度較淺，所以對試塊下表面縱向變形放大1000 倍，得出3 個模型中0.85 s時試塊下表面凹坑深度分別為0.0003、0.0460、0.1500 mm，在逐層分析中，取距離表面平均凹坑深度的距離為基準面進行分析。

分別輸出0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應力場，如圖11 所示。對比0.85 s 時殘余應力場中大于5 MPa 的殘余壓應力區域范圍，可見，0.5 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應力幾乎在10 MPa 以下；1.0 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應力幾乎在300 MPa 以下，大部分區域在100 MPa以下；而在2.5 mm 直徑的殘余應力場中，殘余壓應力值明顯高于前二者，約在700 MPa 以下。所以在其他條件不變的情況下，僅增加彈丸的直徑，試塊下表面殘余壓應力值及范圍不斷增大。

分別向下取0.0003、0.0460、0.1500 mm 截面為基準面，如圖12 所示。對比3 組模型可見，隨著彈丸直徑的增加，無論是在同一基準深度截面還是在不同深度的截面，都與塑形應變場相似，即隨著彈丸直徑的增大，每層的殘余壓應力及分布范圍逐漸增大。

對比0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型的位∑場及等效應變場可見，隨著彈丸直徑的增加，在相同時間內，試塊下表面殘余壓應力場的分布范圍及值均增加，且殘余壓應力層深增加。由此可以得出，在單位時間內，在其他條件不變的情況下，增加彈丸的直徑可以增加試塊下表面殘余壓應力的值及分布范圍并能在深度方向增加殘余壓應力層的深度。

3 結論

模擬分析結果表明：通過改變某些超聲噴丸過程中的工藝參數可以改變試件的殘余應力值及殘余壓應力層深度，在其他條件一定的情況下，分析振動頭振幅、彈丸數量及彈丸直徑對試件殘余應力場的影響，可以得出：

（1）隨著振動頭振幅的增加，試件下表面殘余壓應力的值逐漸增大，殘余壓應力分布范圍逐漸增大，逐層分析可知，隨著振幅增加，試件下表面每層殘余壓應力分布范圍及殘余壓應力值逐漸增大，殘余壓應力層深度逐漸增加；

（2）隨著彈丸數量的增加，試件下表面殘余壓應力分布范圍增加，逐層分析可知，殘余壓應力在每層的值較為穩定，分布隨著彈丸數量的增加有所增加，而殘余壓應力層深度并未隨之增加；

（3）隨著彈丸直徑的增加，試件下表面殘余壓應力的值逐漸增大，殘余壓應力分布范圍逐漸增大，逐層分析，可知，隨著彈丸直徑的增加，試件下表面每層殘余壓應力分布范圍及殘余壓應力值逐漸增大，殘余壓應力層深度逐漸增加。

（4）重點對TC4 鈦合金超聲噴丸強化進行仿真研究，結合上述3 方面的研究結果可以得出，在超聲噴丸過程中，在其他條件一定時，增加振動頭振幅與彈丸直徑既可以提高試件沿深度方向每層殘余壓應力的值，又能使殘余壓應力層深度增加；而增加彈丸數量，僅能提高每層殘余壓應力的值，并不能增加殘余壓應力層的深度，該結論與試驗所得結果一致，針對不同種類的零件可以定性起到加工指導作用。