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) 能源與動力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)葉片受到高頻疲勞載荷作用下,裂紋會迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致疲勞斷裂發(fā)生,影響航空發(fā)動機(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)動機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、延長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產(chǎn)生的GPa級壓應(yīng)力沖擊波對靶材進(jìn)行沖擊,可形成相對噴丸強(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,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)在針對航空發(fā)動機(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態(tài)響應(yīng)兩部分組成,因此對激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值仿真研究分為對靶材施加脈沖載荷計算的顯式部分和對靶材動態(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級功率密度和ns級沖擊時間,對其進(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

在顯示動力學(xué)分析過程中,關(guān)于材料動態(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,因此需要延長求解時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候會沿半徑方向快速傳播,遇到邊界時會反射引起模型內(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,同時為保證外物沖擊過程中分析殘余應(yīng)力分布時不受模型變形影響,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,計算對應(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,模型所對應(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,模型所對應(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,模型所對應(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間歷程曲線普遍簡化成三角形函數(shù)對稱分布方式。以脈沖寬度10ns,脈沖載荷施加時間為30ns為例,0～15ns時,沖擊波壓力線性達(dá)到峰值;15～30ns時,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化成均勻分布,但這會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)化也會對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變形能,從而形成殘余應(yīng)力場。因此靶材表面形貌會產(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)生動態(tài)屈服,并在靶材表面通過塑性變形存儲變形能,從而形成殘余應(yīng)力場,因此靶材表面形貌會產(chǎn)生一定變化。