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激光冲击TC4残余应力场的有限元分析

发布于:2016-07-22 20:19
有限元分析

      钛合金特点是由于比重小、强度高、耐腐蚀性强等特点而被广泛用于航空发动机、航空构架等重要部件,疲劳是这些部件在服役期间的主要失效形式一,如何提高钛合金结构件的疲劳强度,延长其服役寿命,提高其工作可靠性,已越来越受到人们的关注,下面对其强度进行有限元分析
      激光冲击处理(LSP:laser shock processing)是一种新型的表面强化技术,利用功率密度为GW·cm-2量级、脉冲宽度为ns量级的强激光束辐照金属表面的吸取涂层,产生高温、高压等离子体,该等离子体受到覆盖在吸取涂层外面的透明约束层的约束产生高强度冲击波,使材料表层产生塑性应变,残留很大的压应力,且激光冲击产生的残余压应力层较深,约为机械喷丸的2~5倍。激光冲击处理获得的残余压应力层有很好的阻止裂纹萌生和扩展能力,可以大大提高金属材料的疲劳寿命。
      目前国内外学者对激光冲击产生残余应力的研究报道不少,但对冲击残余应力理论分析计算的研究较少报道。研究采用ABAQUS有限元分析App对激光冲击强化TC4钛合金的残余应力场进行分析,模拟了不同功率密度下,激光冲击过程中应力场的分布、发展和数值大小,可为优化激光冲击参数提供理论依据。
      试验材料采用飞机上广泛使用的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金,试样用线切割法加工成尺寸为40mm×40mm×20mm的试块,试样表面依次用400~1000#金相砂纸逐级打磨、乙醇清洗、冷风吹干后,在其表面涂覆一层约50μm厚的黑漆涂料,激光冲击试验装置见图,试验采用Nd:Glass脉冲激光,激光波长1 054nm,脉冲宽度23ns,试验采用的激光光斑直径为6mm,脉冲激光能量为15J。为增强对激光能量的吸取同时保护试样表面不被高能激光灼伤,采用黑漆作为能量吸取牺牲涂层.为增强激光在材料表面产生的冲击波压力,延长冲击波的作用时间,采用对激光透明的K9玻璃做约束层,玻璃厚4mm。
      激光冲击处理后,采用乙醇清洗去除试样表面残留的黑漆,利用X-350A型X射线应力仪测试激光冲击区表面及亚表层的残余应力值,管电压22kV,管电流6mA,钴靶Kα特征辐射,准直管直径2mm,阶梯扫描的步进角为0.05°,时间常数1s,侧倾角Χ分别取0°,25°,35°和45°,应力测试晶面为114,应力常数K= -180MPa,扫描起始及终止角分别为159°和152°。为测试激光冲击区亚表层的残余应力值,用XF-1型电解抛光机对冲击区表面进行逐层抛光,每次抛光深度约50μm,抛光是体积分数为5%的甘油氯化钠饱和溶液。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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