孫海波

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

TC4鈦合金材料具有較高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性以及熱穩(wěn)定性,被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療化工等領(lǐng)域[1]。但是當(dāng)TC4鈦合金材料用于飛機(jī)壓氣機(jī)葉片時(shí),其表面容易萌生疲勞裂紋,存在嚴(yán)重的安全隱患。為實(shí)現(xiàn)對(duì)TC4鈦合金壓氣機(jī)葉片表面的噴丸強(qiáng)化,可以利用大量彈丸高速?zèng)_擊鈦合金表面使其發(fā)生塑性變形,這樣能夠大大提高葉片強(qiáng)度-這是減少其疲勞裂紋的有效途徑,對(duì)于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命具有重要意義[2]。

對(duì)于噴丸強(qiáng)化問(wèn)題的研究,高玉魁等[3]分析了噴丸強(qiáng)化對(duì)TC4鈦合金組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,噴丸強(qiáng)化后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和組態(tài)的變化使TC4鈦合金表層的組織和亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,而且可以在表層強(qiáng)變形區(qū)形成孿晶,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化效應(yīng)。謝樂(lè)春[4]對(duì)TC4鈦合金及鈦基復(fù)合材料噴丸強(qiáng)化和XRD表征,得到了改變噴丸強(qiáng)度,殘余壓應(yīng)力層深隨噴丸強(qiáng)度的提高而增加。預(yù)應(yīng)力噴丸能顯著增加殘余壓應(yīng)力,加載預(yù)應(yīng)力越大,表層殘余壓應(yīng)力增加越明顯。張秀梅[5]對(duì)重型燃機(jī)TC4壓氣機(jī)葉片噴丸及其疲勞性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)陶瓷丸產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力隨噴丸強(qiáng)度變化平緩、易于工藝控制,同時(shí)殘余應(yīng)力分布也優(yōu)于鑄鋼丸。胡凱征[6]研究基于溫度場(chǎng)的噴丸成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化,使用ABAQUS有限元分析軟件建立有限元模型,其中溫度場(chǎng)可以反復(fù)施加,以模擬任何真實(shí)的噴丸強(qiáng)度,從而把一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)沖撞過(guò)程近似地轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜態(tài)加載過(guò)程。然而,目前對(duì)于噴丸的研究多集中在噴丸后殘余應(yīng)力表征、對(duì)零件疲勞性能影響、應(yīng)力松弛特性以及噴丸數(shù)值模擬等方面,在噴丸軌跡對(duì)噴丸效果的影響方面研究很少。

針對(duì)TC4鈦合金葉片型面噴丸軌跡優(yōu)化及數(shù)值模擬問(wèn)題展開(kāi)研究,以分析噴丸軌跡優(yōu)化對(duì)葉片變形的影響:通過(guò)多彈丸的噴丸過(guò)程找到模擬參數(shù)和實(shí)際噴丸參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及殘余應(yīng)力的對(duì)應(yīng)情況;用基于溫度場(chǎng)的噴丸模擬方法來(lái)模擬不同噴丸軌跡對(duì)TC4鈦合金葉片型面噴丸變形的影響,并與實(shí)際葉片噴丸后三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析相同噴丸強(qiáng)度下不同噴丸軌跡對(duì)葉片變形量的影響,尋找最佳的噴丸軌跡,實(shí)現(xiàn)最有效的噴丸效果。

1 噴丸強(qiáng)化仿真分析

1.1 多彈丸噴丸模擬

葉片噴丸過(guò)程是大量彈丸以一定的速度撞擊葉片表面,從而使葉片表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力層。為模擬噴丸過(guò)程中應(yīng)力變化情況,采用ABAQUS有限元軟件建立了多彈丸噴丸有限元模型,設(shè)定彈丸數(shù)量為50顆,如圖1所示?？商崛《鄰椡鑷娡枘M結(jié)果中的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)作為后續(xù)溫度場(chǎng)方法模擬葉片噴丸過(guò)程的參數(shù)。

圖1 彈丸有限元模型

在數(shù)值模擬過(guò)程中,通過(guò)ABAQUS/Explict顯式求解器進(jìn)行運(yùn)算,可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)、大應(yīng)變非線性問(wèn)題的求解。為了準(zhǔn)確表述彈丸高速作用使鈦合金葉片產(chǎn)生的應(yīng)力變化,建立Johnson-Cook模型本構(gòu)方程,J-C模型能夠用于描述金屬應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng),其式為:

(1)

式中:σ——等效應(yīng)力,MPa;

A、B、C、n和m——模型參數(shù);

ε——等效塑性應(yīng)變;

本文中取A為875 MPa、B為793 MPa、C為0.011、n為0.386、m為0.71[7]。

1.2 等效溫度場(chǎng)模擬

葉片型面通常是比較復(fù)雜的自由曲面,用多彈丸模擬葉片型面噴丸過(guò)程需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的彈丸。彈丸的數(shù)量越多,對(duì)彈丸的約束控制就越復(fù)雜,計(jì)算量就越大。因此,為減少多彈丸模擬中計(jì)算的時(shí)間,提高運(yùn)算效率,在進(jìn)行噴丸數(shù)值模擬時(shí)提出一種基于等效溫度場(chǎng)噴丸模擬思路,其步驟如下:

(1)用彈丸模擬TC4材料噴丸過(guò)程,獲得噴丸后的應(yīng)變場(chǎng);

(2)將應(yīng)變場(chǎng)作為基于材料熱膨脹能夠獲取到的數(shù)值,輸入材料屬性中;

(3)按照噴丸軌跡將提取到的應(yīng)變數(shù)值添加到葉片型面上,得到整個(gè)葉片型面的應(yīng)變值;

(4)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算,得到葉片型面噴丸的結(jié)果。

TC4鈦合金葉片在實(shí)際噴丸工藝中只對(duì)葉片型面進(jìn)行噴丸,葉根部分無(wú)此工藝要求。另外,由于葉根厚度較大、剛性比較好,所以實(shí)際噴丸過(guò)程中只對(duì)葉根進(jìn)行固定,葉片型面處于自由狀態(tài),因此在模擬過(guò)程中不考慮葉根的變化,僅對(duì)葉片型面進(jìn)行模擬。在進(jìn)行等效溫度場(chǎng)模擬中,把葉片、葉根進(jìn)行切割,保留葉身部分,模擬過(guò)程中對(duì)葉根的截面進(jìn)行全約束。

在ABAQUS軟件Property模塊中設(shè)置材料的相關(guān)屬性,葉片材料為TC4鈦合金,常溫下楊氏模量為110 GPa,泊松比為0.31,楊氏模量在不同溫度下不同,因此在模擬過(guò)程中不同的溫度需設(shè)置不同的楊氏模量。需要說(shuō)明的是:此時(shí)的溫度并不是葉片實(shí)際的溫度,而是使葉片獲取應(yīng)力和應(yīng)變的一種等效方法,在葉片厚度方向上進(jìn)行溫度場(chǎng)加載,并根據(jù)厚度節(jié)點(diǎn)所處層數(shù)不同加載相對(duì)應(yīng)的溫度值。

2 TC4鈦合金葉片型面噴丸試驗(yàn)

2.1 噴丸參數(shù)選擇

某TC4鈦合金葉片型面噴丸的強(qiáng)度要求為0.25±0.02 mmA,彈丸材料為S230鑄鋼,覆蓋率≥100%。噴丸強(qiáng)度的確定需要通過(guò)繪制噴丸飽和曲線獲取,飽和曲線的繪制需要在其它參數(shù)一定的情況下利用不同的噴丸速度或噴丸時(shí)間噴丸Almen試片得到,然后通過(guò)至少4組不同速度或時(shí)間下的試片弧高值計(jì)算并繪制得出[8-9]。取噴槍直徑為10 mm,噴丸距離為(150±10)mm,空氣壓力為0.32 MPa,丸流量為12 kg/min,通過(guò)對(duì)試片弧高值的計(jì)算結(jié)果繪制飽和曲線,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為歸一化后的時(shí)間,如圖2所示。

圖2 飽和曲線

從圖2可以看出:噴丸強(qiáng)度為0.25 mmA,飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1.96(無(wú)量綱),噴槍移動(dòng)速度為0.081 m/s,滿足噴丸強(qiáng)度要求,后續(xù)的數(shù)值模擬過(guò)程也將在該噴丸強(qiáng)度下進(jìn)行。

驗(yàn)證上述分析結(jié)果,對(duì)TC4鈦合金葉片進(jìn)行噴丸試驗(yàn)。在正式試驗(yàn)之前先在相同參數(shù)條件下進(jìn)行葉片整體涂藍(lán)測(cè)試,取噴槍的移動(dòng)速度為0.10 m/s。結(jié)果發(fā)現(xiàn):葉片全部被涂藍(lán),能夠達(dá)到覆蓋率100%的要求。為更好的保證噴丸覆蓋率,試驗(yàn)中采用的噴槍移動(dòng)速度為0.08 m/s,噴丸距離為150 mm,軌跡間距為10 mm,空氣壓力為0.32 MPa,丸流量為12 kg/min,噴丸強(qiáng)度為0.25 mmA,彈丸材料為S230鑄鋼。圖3所示為噴丸后葉片表面的狀態(tài)。

圖3 葉片型面噴丸后的表面狀態(tài)

可以看出:葉片表面完全被彈丸所覆蓋,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面褶皺、溝壑等缺陷,表面涂層均勻良好,覆蓋率滿足不小于100%的要求,同時(shí)也驗(yàn)證了弧高值計(jì)算噴丸強(qiáng)度的正確性。

2.2 葉片殘余應(yīng)力測(cè)量

噴丸試驗(yàn)后通過(guò)應(yīng)力測(cè)試儀(測(cè)試儀型號(hào)為X-350A)對(duì)葉片型面的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè),如圖4所示[10]。

圖4 殘余應(yīng)力測(cè)試儀

為檢測(cè)深度方向的應(yīng)力需要用電解拋光儀對(duì)葉片表層進(jìn)行剝層檢測(cè),每間隔20 μm進(jìn)行一次剝層測(cè)量。采用以下參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè),管電壓28 kV、管電流9 mA,Cr-Kα輻射,準(zhǔn)直管直徑1.5 mm, (213)衍射面,ψ角選擇0°、20°、30°和45°,2θ角掃描范圍132°～148°,掃描部距0.15°,時(shí)間常數(shù)3 s。在50彈丸模擬過(guò)程中通過(guò)多次調(diào)整彈丸的初始速度,找到在0.25 mmA噴丸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的速度,提取在該速度下模擬得到的應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值作為基于溫度場(chǎng)模擬的參數(shù)輸入。在50彈丸模型中分別用65 m/s、80 m/s、90 m/s和95 m/s的初始彈丸速度模擬噴丸TC4試塊過(guò)程,分別提取深度方向的應(yīng)力并和測(cè)試殘余應(yīng)力結(jié)果對(duì)比,如圖5所示。

圖5 殘余應(yīng)力結(jié)果

從圖5中可以看出:噴丸獲取的殘余壓應(yīng)力沿垂直零件表面方向呈現(xiàn)出典型的先增大后減小,這是因?yàn)閲娡鑿椡柚睆较鄬?duì)較小,彈丸能夠獲得的初始速度在一定范圍不會(huì)一直增大,彈丸擊打零件以后產(chǎn)生的塑性變形發(fā)生在局零件表面一定的范圍內(nèi)。當(dāng)彈丸速度為90 m/s時(shí),模擬得到的殘余應(yīng)力和應(yīng)力深度與噴丸強(qiáng)度為0.25 mmA時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果比較吻合,此時(shí)殘余壓應(yīng)力的最大值為694 MPa,最大應(yīng)力層深在0.23 mm左右。提取在彈丸初始速度90 m/s模擬結(jié)果中的深度方向的應(yīng)變值作為溫度場(chǎng)模擬的輸入?yún)?shù),應(yīng)變值如圖6所示。

圖6 提取的應(yīng)變值結(jié)果

在圖6中,PE11、PE22、PE33、PE12、PE13和PE23為6個(gè)應(yīng)變分量。其中,PE33為主應(yīng)變即垂直表面方向,在該方向上應(yīng)力為主應(yīng)力,表現(xiàn)為殘余壓縮應(yīng)力,使材料有壓縮的趨勢(shì)應(yīng)變呈現(xiàn)出壓縮變形趨勢(shì)即應(yīng)變值均小于零,其最大值為-0.038;PE23應(yīng)變分量方向?yàn)檠亓慵砻娴姆较?零件表面彈坑與彈坑之間會(huì)存有間隙,兩個(gè)彈坑出的材料會(huì)向下移動(dòng),兩個(gè)彈坑中間材料會(huì)呈現(xiàn)出被拉伸的趨勢(shì),因此沿表面方向應(yīng)變分量值會(huì)出現(xiàn)拉伸壓縮交替現(xiàn)場(chǎng),應(yīng)變分量值出現(xiàn)正負(fù)交替。

3 噴丸軌跡優(yōu)化

3.1 噴丸軌跡設(shè)計(jì)

為研究不同噴丸軌跡對(duì)葉片變形程度的影響,設(shè)計(jì)3種不同的噴丸軌跡,均采用S型路線,先噴葉片型面背弧,再噴葉片型面的內(nèi)弧,如圖7所示。其中,軌跡Ⅰ為從葉根開(kāi)始向葉頂走橫向S軌路線;軌跡Ⅱ位從葉頂開(kāi)始向葉根走橫向S軌跡路線;軌跡Ⅲ為從葉頂向葉根方向走縱向S軌跡路線。

圖7 3種噴丸軌跡

3.2 不同噴丸軌跡變形分析

用溫度場(chǎng)方法模擬葉片型面噴丸過(guò)程,加載路徑與3種噴丸軌跡相同。為方便測(cè)量和分析不同軌跡的變形情況,在編制三坐標(biāo)測(cè)量葉片程序時(shí),將葉身劃分了平行于葉根的3條測(cè)量線,分別用L-L、M-M和N-N表示。同時(shí)將每條測(cè)量線平均分成4份,即在每條線上取5個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn),分別記為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5、M1、M2、M3、M4、M5以及N1、N2、N3、N4、N5,則每條測(cè)量線距離葉片根部的距離及各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的位置如圖8所示。

圖8 檔位線位置

用基于溫度場(chǎng)方法模擬3種噴丸軌跡的變形云圖,結(jié)果如圖9所示。從變形云圖中可以看出:噴丸軌跡Ⅰ的最大變形量為0.239 mm,噴丸軌跡Ⅱ的最大變形量為0.189 mm,噴丸軌跡Ⅲ的最大變形量為0.209 mm,噴丸軌跡Ⅰ的最大變形量最大,軌跡Ⅱ最大變形量最小,軌跡Ⅲ最大變形量居中。變形的方向由葉片內(nèi)弧指向葉片背弧方向,變形量由葉根向葉尖逐漸增大,靠近葉尖區(qū)域變形量最大,靠近葉根區(qū)域變形量最小,且3種軌跡在葉根區(qū)域的變形量很小,基本無(wú)差異。

圖9 不同噴丸軌跡的變形云圖

為驗(yàn)證3種噴丸軌跡模擬結(jié)果的變形情況,用三坐標(biāo)分別測(cè)量噴丸后葉片的實(shí)際變形情況。分別提取圖9中3條測(cè)量線上5個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的變形值,并與三坐標(biāo)測(cè)量相同位置的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同噴丸軌跡各節(jié)點(diǎn)的變形量對(duì)比

從圖10可以看出:對(duì)于相同噴丸軌跡而言,L-L測(cè)量線上的點(diǎn)變形量最大,M-M測(cè)量線上的點(diǎn)變形量次之,N-N測(cè)量線上的點(diǎn)變形量最小,且同一條測(cè)量線上最中間(3號(hào))節(jié)點(diǎn)的變形量最大,并向兩側(cè)逐漸減弱。從對(duì)比結(jié)果上看,L-L線和M—M線的模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果基本相同,但實(shí)際檢測(cè)結(jié)果要比模擬結(jié)果略大,原因可能是基于溫度場(chǎng)的模擬對(duì)實(shí)際噴丸過(guò)程進(jìn)行等效簡(jiǎn)化時(shí)忽略了一些次要因素影響,應(yīng)變深度方向加載時(shí),網(wǎng)格劃分的不是足夠小。N-N線模擬和測(cè)量結(jié)果個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大差異,這是因?yàn)榭拷~根處變形量數(shù)值較小,誤差相對(duì)比較明顯;對(duì)于不同噴丸軌跡而言,三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了之前數(shù)值模擬得出的結(jié)論:軌跡Ⅰ噴丸開(kāi)始是從葉片的葉根處向上呈S形軌跡噴丸,噴丸開(kāi)始時(shí)靠近葉根處的型面已經(jīng)發(fā)生了塑性變形產(chǎn)生了殘余應(yīng)力,在逐漸向上噴丸的時(shí)候，所噴區(qū)域逐漸獲得殘余壓應(yīng)力同時(shí)變形會(huì)逐漸累積,變形會(huì)越來(lái)越大。軌跡Ⅱ是從葉頂開(kāi)始向下呈S形噴丸,噴丸開(kāi)始時(shí)彈丸擊打區(qū)域發(fā)生塑性變形產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,隨著噴丸區(qū)域的增大,葉片發(fā)生的變形也會(huì)變大,但是在靠近葉頂區(qū)域噴丸時(shí)葉身下面區(qū)域并沒(méi)有發(fā)生塑性變形葉片的剛性相對(duì)較大,葉身下面區(qū)域材料抵抗變形能力相對(duì)較大,變形就更不容易發(fā)生,因此軌跡Ⅱ變形量要小于軌跡Ⅰ。軌跡Ⅲ是葉頂和葉根交替的S形軌跡,總的變形量會(huì)介于軌跡Ⅰ和軌跡Ⅱ中間,因此三種軌跡噴丸變形呈現(xiàn)出軌跡Ⅰ的變形量>軌跡Ⅲ的變形量>軌跡Ⅱ的規(guī)律。

4 結(jié) 論

針對(duì)TC4鈦合金葉片噴丸強(qiáng)化過(guò)程中易產(chǎn)生變形的問(wèn)題,以準(zhǔn)確性和高效率為原則,進(jìn)行多彈丸噴丸過(guò)程數(shù)值模擬,并分析不同噴丸軌跡對(duì)變形幅度的影響。

(1)等效溫度場(chǎng)思路能夠有效模擬TC4材料噴丸過(guò)程所受應(yīng)力情況,可以提高數(shù)值模擬過(guò)程中的運(yùn)算效率,為研究復(fù)雜葉片實(shí)際噴丸問(wèn)題提供解決方案。

(2)噴丸后葉片都會(huì)呈現(xiàn)出由內(nèi)弧向背弧的變形趨勢(shì),且軌跡Ⅰ的變形量最大,最大變形量約為0.24 mm,噴丸軌跡Ⅱ的變形量最小,最大變形量約為0.19 mm,即軌跡Ⅰ的變形量>軌跡Ⅲ的變形量>軌跡Ⅱ的變形量,軌跡Ⅱ相較軌跡Ⅰ的最大變形量減小了20.8%,相較軌跡Ⅲ的最大變形量減少了9.5%。數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

(3)噴丸軌跡是影響葉片形變的重要因素,實(shí)際噴丸工藝生產(chǎn)中通過(guò)模擬合理優(yōu)化軌跡可有效減小葉片噴丸后的變形幅度,提高鈦合金葉片的疲勞強(qiáng)度,達(dá)到噴丸強(qiáng)化的最佳效果。