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激光強化后7050凹槽鋁板的殘余應力分布規律研究

來源:http://b4bchina.org??發布時間:2019-11-26 09:08??瀏覽量:返回列表

因具有高比強度、抗腐蝕性和疲勞性能, 7050-T7451鋁合金是飛機結構主要用材之一。通常采取表面強化技術 (如機械噴丸強化、激光沖擊強化等) 對飛機結構表面進行處理, 以提高其疲勞壽命和安全可靠性。與傳統機械噴丸相比, 激光沖擊能夠獲得較高的表層殘余應力和較深的殘余應力影響層[1]。殘余壓應力的存在能夠顯著提高材料疲勞壽命, 抑制裂紋的萌生和擴展[2,3,4,5]

國內外學者對激光沖擊強化技術進行了較為廣泛的研究, 通過試驗和數值模擬研究了激光沖擊強化對殘余應力分布的影響。激光沖擊強化過程中, 激光參數對殘余應力分布的影響極大, 雖然光斑中心的沖擊壓力較高, 但通過激光沖擊試驗發現, 單次沖擊時光斑中心的殘余壓應力低于光斑邊緣處所形成的殘余壓應力, 即形成“殘余應力洞”現象, 當增加沖擊次數時能夠削弱這一現象并獲得更加均勻的表面殘余壓應力[6,7];激光功率密度、脈寬和光斑直徑等參數的變化會對表面殘余應力的最大值和殘余應力影響層深度產生較為明顯的影響[8]。同時, 激光沖擊強化過程也會造成金屬材料表面粗糙度、顯微組織和硬度等發生改變, 過大的激光功率密度甚至會導致金屬材料表面裂紋的萌生, 不利于疲勞性能的改善[9,10]。張興權等[11]通過對比激光強化后2024-T3鋁合金殘余應力的試驗值和模擬值, 發現殘余應力最大值位于光斑中心。Dorman等[12]以2 mm厚2024-T351鋁合金板為研究對象, 研究了功率密度對殘余應力的影響, 隨著功率密度從0.5 GW/cm2增加至3 GW/cm2, 殘余壓應力從80 MPa增加至130 MPa。周建忠[13]研究了6061-T6鋁合金單面沖擊和雙面沖擊的殘余應力分布, 發現雙面沖擊后殘余壓應力值更大, 且雙面沖擊后殘余壓應力的影響區大于單面沖擊殘余壓應力的影響區。Coratella[14]基于包含曲面特征的試驗件, 采用本征應變方法, 研究了7050-T7451鋁合金在方形光斑沖擊后的殘余應力分布規律, 表明了本征應變法預測殘余應力的合理性。Vasu[15]和Yang[16]以飛機結構中具有曲面特征的鋁合金試樣為研究對象, 對激光沖擊強化后殘余應力場的幾何效應進行了相關研究。結果表明, 殘余應力場與沖擊表面曲率有關, 凹面、凸面和平面結構的殘余應力場差異明顯, 凹面形狀隨著曲率增加殘余壓應力增加, 凸面形狀隨著曲率增加殘余壓應力減小。目前, 關于激光沖擊參數對7050-T7451凹槽鋁板殘余應力場分布規律影響的研究較少, 而在飛機結構中往往存在凹槽區域, 因此有必要研究激光沖擊強化對凹槽鋁板殘余應力場分布規律的影響。

本文以7050-T7451凹槽鋁板為研究對象, 測量其激光沖擊強化殘余應力場分布規律, 采用ABAQUS軟件建立三維有限元仿真模型, 利用VDLOAD子程序施加沖擊波壓力載荷, 分析7050-T7451凹槽鋁板在不同激光功率密度, 光斑直徑和激光脈寬等條件下殘余應力場的分布規律, 為飛機結構設計工作提供理論依據。

1 激光沖擊強化試驗

1.1 材料性能和試驗件尺寸

本文中使用的試驗件尺寸為80 mm×120 mm, 凹槽區域 (如圖1所示) 尺寸為40 mm×20 mm, 對凹槽加工后進行處理, 以消除凹槽加工過程中產生的殘余應力。激光沖擊強化區域大于凹槽區域, 尺寸為48 mm×28 mm。材料是7050鋁合金, 其主要化學成分見表1, 材料參數見表2。

表1 7050鋁合金化學成分 導出到EXCEL

 

質量分數/%


Zn
Mg Cu Cr Zr Si Fe Al

5.7~6.7
1.9~2.6 2.0~2.6 ≤0.04 0.08~0.15 ≤0.12 0.15 其他
 

 

表2 7050鋁合金材料參數 導出到EXCEL

 

 


密度/ (kg·m-3)
彈性參數/MPa 泊松比 屈服應力/MPa

2 830
72 000 0.33 395
 

 

圖1 試驗件及其尺寸示意圖

圖1 試驗件及其尺寸示意圖   下載原圖

 

1.2 激光沖擊路徑和光斑搭接情況

試驗采用YS80-M165激光沖擊強化設備, 為確保殘余應力分布均勻, 經過多次測試, 選擇X向搭接率為25%, Y向搭接率為35%, 沖擊次數為2次, 波長為1 064 nm, 激光脈寬為20 ns, 激光束光斑直徑為4 mm。激光沖擊路徑和光斑搭接情況如圖2所示。

圖2 激光沖擊路徑和光斑搭接示意圖

圖2 激光沖擊路徑和光斑搭接示意圖   下載原圖

 

2 激光沖擊強化后殘余應力場分布數值分析

2.1 沖擊波峰值壓力

在數值分析中將激光誘導的沖擊波簡化為隨時間變化的壓力載荷, 然后直接作用于靶材表面。Fabbro[17]提出峰值壓力的計算公式為

p=0.01α2α+3ΖΙ0(1)

式中, α為內能與熱能比值, 取0.1~0.2之間;Z為材料的折合聲阻抗, 可由 (2) 式得到;I0為激光功率密度, 可由 (3) 式得到。

2Ζ=1Ζ1+1Ζ2(2)

式中, Z1為靶材的聲阻抗;Z2為約束層的聲阻抗。

激光功率密度計算公式為

Ι0=4γEπτd2(3)

式中, γ為等離子體的絕熱指數, 通常取0.7;τ為激光脈寬。

將 (2) 式和 (3) 式的計算結果代入 (1) 式可得激光沖擊強化峰值壓力為

p=2.43Ed2(4)

2.2 有限元數值分析模型

為提高計算機運行速率、減少計算量, 建模時取試驗件1/4進行建模, 如圖3所示。在激光沖擊強化區域將網格細化, 共有343 688個單元。模型的2個側面設置固定邊界條件, 模型的剖面設置為對稱邊界條件。

圖3 有限元模型

圖3 有限元模型   下載原圖

 

2.3 本構模型和VDLOAD子程序加載

激光沖擊過程中, 激光誘導的等離子體沖擊一般為幾千MPa, 由于吸收涂層的氣化時間極短, 因而在模擬中可完全忽略激光沖擊時的熱效應, 僅考慮材料在激光沖擊波力效應下的動態響應[18], 采用簡化的Johnson-Cook模型, 材料參數如表3所示。

σ=[A+Bεn][1+Clnε˙*](5)

式中, ABCn為材料常數, 具體數值如表3所示。

表3 Johnson-Cook模型材料參數[18] 導出到EXCEL

 

 


材料
A/MPa B/MPa C n

7050鋁合金
300 400 0.013 0.13
 

 

為了實現激光強化過程中多點連續沖擊壓力的施加, 引入ABAQUS的VDLOAD子程序, 流程圖如圖4所示。

圖4 VDLOAD加載流程圖

圖4 VDLOAD加載流程圖   下載原圖

 

3 結果與討論

3.1 試驗與數值分析的表面殘余應力對比

采用X射線衍射儀對沖擊區的表面殘余應力場進行測試, 試驗測量誤差為±17 MPa, 圖5為試驗測量和數值分析的激光沖擊后表面殘余應力 (σx) 分布對比。由試驗測量值可以看出, 在原點 (凹槽中心點) 處殘余壓應力為256 MPa, 距原點8.5 mm, 9.5 mm, 10.5 mm, 12.0 mm, 13.0 mm和14.0 mm處 (沿表面方向如圖3所示) 殘余壓應力分別為306 MPa, 268 MPa, 261 MPa, 207 MPa, 203 MPa和60 MPa, 與原點處相比殘余壓應力分別相差19.5%, 4.7%, 2.0%, -19.1%, -20.7%和-76.5%。可以看出, 激光沖擊后表面殘余壓應力在凹槽的曲面處取得最大值306 MPa, 在沖擊區域的邊緣處表面殘余壓應力取得最小值60 MPa。

圖5 表面殘余應力的試驗值和數值模擬值對比

圖5 表面殘余應力的試驗值和數值模擬值對比   下載原圖

 

數值分析和試驗測量的殘余應力分布基本規律相同:從試驗件凹槽中心到凹槽邊緣, 殘余應力逐漸下降, 在凹槽邊緣底邊處取最小值, 然后沿凹槽邊緣上升而增大, 表面殘余壓應力在凹槽曲面底邊處取最大值。實測表面殘余應力最小值為-306 MPa, 數值模擬的表面殘余應力最小值為-338 MPa, 兩者相差10.4%;凹槽中心處的表面殘余應力試驗值為-256 MPa, 模擬值為-214 MPa, 兩者相差16.4%;隨著凹槽曲面上升, 壓殘余應力減小;遠離沖擊區域, 表面殘余應力逐漸接近于零。

3.2 激光功率密度對殘余應力場的影響

為研究激光功率密度對殘余應力場的影響, 分別取0.84 GW/cm2, 1.95 GW/cm2, 3.06 GW/cm2, 4.18 GW/cm2和5.29 GW/cm2這5種激光功率密度, 其對應的峰值壓力為1 052 MPa, 1 607 MPa, 2 015 MPa, 2352 MPa和2374 MPa, 其他參數不變進行數值分析。圖6為不同功率密度激光沖擊強化后沿表面方向和深度方向殘余應力的分布情況 (其中沿表面和深度方向的起始點均為凹槽中心點) 。

圖6 不同激光功率密度下殘余應力場分布

圖6 不同激光功率密度下殘余應力場分布   下載原圖

 

由圖6a) 可以看出, 當激光功率密度取0.84, 1.95, 3.06, 4.18, 5.29 GW/cm2時, 凹槽中心點處表面殘余壓應力分別為32, 214, 230, 210, 195 MPa, 相鄰功率密度間殘余壓應力增加的幅度分別為182, 16, -20, -15 MPa。隨著激光功率密度的增加, 凹槽中心點處表面殘余壓應力先增加后減小, 當激光功率密度為3.06 GW/cm2時取得最大值230 MPa。這一現象的存在是由于材料中應力波的峰值壓力小于Hugoniot彈性極限[19] (HEL) 時, 不會發生塑性應變, 當峰值壓力大于HEL時, 將發生永久塑性變形。當峰值壓力持續增加, 材料塑性變形達到飽和, 然后隨著激光功率密度的增加, 表面殘余壓應力沿深度方向推進, 殘余壓應力影響層隨之加深, 如圖6b) 所示。凹槽曲面處和相鄰區域的殘余應力值相差較大, 但隨著激光功率密度的增加, 曲面處殘余壓應力不斷增加, 但增加的幅度逐漸減小。這主要由于凹槽鋁板不同于規則結構, 在凹槽彎曲處曲率迅速增加, 對激光沖擊強化產生重要影響, 使得表面殘余壓應力分布受到影響, 表面殘余壓應力在凹槽底面曲面處取到最大值。

3.3 光斑直徑對殘余應力場的影響

圖7為不同光斑直徑激光沖擊強化后沿表面方向和深度方向殘余應力場分布。沿表面方向的殘余應力只對沖擊區域內進行分析。

圖7 不同光斑直徑下殘余應力場分布

圖7 不同光斑直徑下殘余應力場分布   下載原圖

 

由圖7a) 可以看出, 隨著光斑直徑從4 mm增加到6 mm, 凹槽中心點處表面殘余壓應力由214 MPa減小至30 MPa, 在凹槽的曲面處, 表面殘余壓應力取得最大值, 在沖擊區域邊緣處殘余壓應力逐漸減小。由圖7b) 可以看出, 隨著光斑直徑的增加, 不僅最大殘余壓應力隨之減小, 而且殘余壓應力影響層也逐漸減小。這種現象是因為殘余壓應力與沖擊波峰值壓力相關, 而光斑直徑與沖擊波峰值壓力成反比, 如公式 (4) 所示, 當光斑直徑從4 mm增至6 mm時, 對應的峰值壓力從1 607 MPa減小到1 072 MPa。

3.4 激光脈寬對殘余應力場的影響

圖8為不同激光脈寬下激光沖擊強化后沿表面方向和深度方向的殘余應力場分布。

圖8 不同激光脈寬下殘余應力場分布

圖8 不同激光脈寬下殘余應力場分布   下載原圖

 

由圖8a) 可以看出, 激光脈寬分別為10, 20, 30, 40 ns時, 凹槽中心點處表面殘余壓應力分別為21, 214, 241, 288 MPa。這是因為與沖擊波穿透約束層的時間間隔相比, 隨著激光脈沖寬度的增加, 約束層受激光沖擊后汽化物的擴散延長了激光沖擊波的作用時間[18,20]。與激光脈寬小于20 ns時相比, 激光脈寬大于20 ns時, 隨著激光脈寬的增加, 表面殘余壓應力的變化較小。表面殘余壓應力的最大值在凹槽曲面處取得, 這是由于凹槽曲面處曲率發生變化, 對殘余應力分布的影響較大。由圖8b) 可以看出, 隨著激光脈寬從10 ns增加到40 ns, 殘余應力的影響層深度逐漸增加。

4 結 論

1) 不論激光參數如何變化, 凹槽鋁板的表面殘余應力最小值都在凹槽曲面底邊處取得, 凹槽曲率的變化影響著表面殘余應力場分布。

2) 隨著激光功率密度的增加, 沖擊波峰值壓力隨之增加, 凹槽中心點處表面殘余壓應力先增加后減小, 當激光功率密度為3.06 GW/cm2時, 峰值壓力為2 015 MPa, 此時凹槽中心點處表面殘余壓應力達到最大值230 MPa。

3) 光斑直徑與沖擊波峰值壓力成反比, 隨著光斑直徑從4 mm增至6 mm, 峰值壓力由1 607 MPa減小到1 072 MPa, 凹槽中心點處表面殘余壓應力由214 MPa減小至30 MPa。

4) 激光脈沖寬度對表面殘余應力的影響與激光沖擊波穿透汽化物層的時間間隔有關。隨著激光脈寬從10 ns增至40 ns, 凹槽中心點處表面殘余壓應力由21 MPa增至288 MPa。

5) 對7050凹槽鋁板激光沖擊強化時, 激光功率密度、光斑直徑和脈沖寬度分別取3.06 GW/cm2, 4 mm和40 ns時, 能夠在凹槽表面產生最大的殘余壓應力。


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