Влияние формы профиля давления на распределение остаточных напряжений при лазерной ударной обработке кромки пера лопатки из титанового сплава

Исследовано влияние профиля импульса давления квадратного лазерного пятна с размером стороны 3 мм на распределение остаточных напряжений сжатия на участке кромки пера лопатки компрессора из титанового сплава при математическом моделировании лазерной ударной обработки. Обработка выполнена лазерным лучом без перекрытия пятен за один проход с обеих сторон кромки пера лопатки. Моделирование лазерной ударной обработки включало в себя два этапа. На первом этапе проведено моделирование распространения упругопластических волн на основе определяющего соотношения Джонсона — Кука, на втором — статический расчет распределения остаточных напряжений. По результатам моделирования установлено, что обратный профиль импульса давления приводит к большим поверхностным остаточных напряжений сжатия (до –0,50 отн. ед.), глубина которых не превышает 0,07 мм. Прямой профиль импульса давления обеспечивает уровень остаточных напряжений сжатия –0,21…–0,14 отн. ед. на глубине до 0,14 мм. При этом в середине кромки пера лопатки образуется зона с остаточными напряжениями растяжения, достигающими 0,06 отн. ед.
EDN: KMJCVE, https://elibrary/kmjcve

Литература

[1] Иноземцев А.А. Развитие технологий в отечественном гражданском авиадвигателестроении. Труды Академии наук авиации и воздухоплавания. 2024, № 1, с. 4–17.

[2] Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. Москва, Машиностроение, 2008. 366 c.

[3] Wang M., Chen X., Dai F. et al. Effects of different laser shock processes on the surface morphology and roughness of TC4 titanium alloy. J. Mater. Process. Technol., 2024, vol. 325, art. 118301, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118301

[4] Ebrahimi M., Amini S., Seyed M. The investigation of laser shock peening effects on corrosion and hardness properties of ANSI 316L stainless steel. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2017, vol. 88, no. 5–8, pp. 1557–1565, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-016-8873-0

[5] Umapathi A., Swaroop S. Mechanical properties of a laser peened Ti-6Al-4V. Opt. Laser Technol., 2019, vol. 119, art. 105568, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105568

[6] Ляхович Л.С., ред. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Москва, Металлургия, 1981. 424 с.

[7] Гидродробеструйный метод упрочнения деталей ГТД, основанный на пластическом деформировании поверхностного слоя, gidroabraziv.com: веб-сайт. URL: https://www.gidroabraziv.com/technology/gidrodrobestrujnyj-metod-uprochneniya-detalej-gtd/ (дата обращения: 15.09.2025).

[8] Габов И.Г., Миленин А.С., Ширяев А.А. и др. Влияние малопластичного выглаживания на параметры поверхностного слоя образцов лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 4, с. 39–46. EDN: LWOOQO

[9] Ширяев А.А., Габов И.Г., Миленин А.С. и др. Сравнение методов упрочнения на предел выносливости лопаток из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2023, т. 25, № 4, с. 109–117.

[10] Новиков И.А., Ножницкий Ю.А., Шибаев С.А. Мировой опыт в исследовании и применении технологического процесса лазерной ударной обработки металлов (обзор). Авиационные двигатели, 2022, № 2, с. 59–82, doi: https://doi.org/10.54349/26586061_2022_1_59

[11] Nie X., He W., Cao Z. et al. Experimental study and fatigue life prediction on high cycle fatigue performance of laser-peened TC4 titanium alloy. Mater. Sci. Eng. A, 2021, vol. 822, art. 141658, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141658

[12] Fang Y.W., Li Y.H., He W.F. et al. Effects of laser shock processing with different parameters and ways on residual stresses fields of a TC4 alloy blade. Mater. Sci. Eng. A, 2013, vol. 559, pp. 683–692, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.09.009

[13] Ширяев А.А., Габов И.Г., Миленин А.С. и др. Влияние лазерного ударного упрочнения на параметры поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2024, т. 26, № 1, с. 66–73.

[14] Fang Y. Strengthening effects of the laser light impact on a TC17 blade in view of simulations and experiments. J. Russ. Laser Res., 2021, vol. 42, no. 3, pp. 328–339, doi: https://doi.org/10.1007/s10946-021-09966-1

[15] Wang С., Li K., Hu X. et al. Numerical study on laser shock peening of TC4 titanium alloy based on the plate and blade model. Opt. Laser Technol., 2021, vol. 142, art. 107163, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021

[16] Лебедев В.Ф. Лазерная фотоника. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2019. 105 с.

[17] Abeens M., Muruganandhan R., Thirumavalavan K. et al. Surface modification of AA7075 T651 by laser shock peening to improve the wear characteristics. Mater. Res. Express, 2019, vol. 6, no. 6, art. 066519, doi: https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab0b0e

[18] Zhang W., Lu J., Luo K. Residual stress distribution and microstructure at a laser spot of AISI 304 stainless steel subjected to different laser shock peening impacts. Metals, 2015, vol. 6, no. 1, art. 6, doi: https://doi.org/10.3390/met6010006

[19] Zhu R., Zhang Y., Lin C. et al. Residual stress distribution and surface geometry of medical Ti13Nb13Zr alloy treated by laser shock peening with flat-top laser beam. Surf. Topogr.: Metrol. Prop., 2020, vol. 8, no. 4, art. 045026, doi: https://doi.org/10.1088/2051-672X/abce15

[20] Zhou L., Zhu C., Yuan H. et al. Influence of the laser pulse time profile on residual stress characteristics in laser shock Peening. Opt. Express, 2023, vol. 31, vol. 11, art. 18039, doi: https://doi.org/10.1364/OE.489426