Анализ зависимости уровня и глубины остаточных напряжений от параметров лазерного излучения при моделировании лазерной ударной обработки плоских образцов из титанового сплава

Исследовано влияние параметров лазерного излучения на уровень и глубину остаточных напряжений при математическом моделировании процесса лазерной ударной обработки пластины толщиной 2 мм, выполненной из титанового сплава. Верификация математической модели лазерной ударной обработки проведена путем расчета остаточных напряжений в титановом сплаве после обработки пластины в режимах, аналогичных модулируемым. Результаты моделирования оказались в разумном согласии с экспериментальными данными. Моделирование включало в себя два этапа: на первом моделировали распространение упругопластических волн на основе соотношения Джонсона — Кука, на втором проводили статический расчет распределения остаточных напряжений. Установлено, что лазерная ударная обработка без перекрытия приводит к неоднородному распределению остаточных напряжений сжатия по глубине в зависимости от зоны обработанной поверхности, причем это проявляется при увеличении плотности мощности лазерного излучения. Зоны стыка лазерных пятен обладали минимальными остаточными напряжениями сжатия. Для равномерного распределения остаточных напряжений по глубине следует проводить лазерную ударную обработку с 50%-ным перекрытием пятен. С увеличением числа проходов лазера повышаются уровень и глубина распространения остаточных напряжений сжатия на обработанной поверхности, но также возрастают напряжения растяжения в объеме образца. Лазерная ударная обработка обеих сторон пластины приводит к уменьшению профилей остаточных напряжений сжатия и способствует нивелированию околонулевых остаточных напряжений сжатия на противоположной стороне. Однако двухсторонняя обработка вызывает рост остаточных напряжений растяжения в зоне стыка между пятнами лазерного излучения до 0,82 отн. ед. Второй проход следует выполнять с такими же параметрами лазерного излучения, что и первый, так как это увеличивает глубину распространения остаточных напряжений сжатия. С увеличением размера лазерного пятна от 1 до 3 мм при одном и том же давлении (5,27 ГПа) уровень остаточных напряжений возрастает от –0,3 до –1,1 отн. ед. Глубина распространения остаточных напряжений сжатия остается неизменной (0,6 мм). Варьирование параметров лазерного импульса приводит к изменению геометрических параметров поверхностного слоя пластины на 1…5 мкм.
EDN: DHTHOL, https://elibrary/dhthol

Литература

[1] Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. Москва, Машиностроение, 2008. 368 c.

[2] 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

[3] 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, № 4, с. 109–117.

[4] Ширяев А.А., Габов И.Г., Попова Ю.В. Влияние LSPwC на параметры поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 3, с. 32–41. EDN: JEEASU

[5] Sundar R., Ganesh P., Gupta R.K. et al. Laser shock peening and its applications: a review. Lasers Manuf. Mater. Process., 2019, no. 6, no. 7, pp. 424–463, doi: https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8

[6] Зо Й.М. Ударная обработка цветных металлов и сплавов маломощными лазерными источниками. Автореф. дисс. … канд. тех. наук. Москва, МГТУ им. Баумана, 2020. 18 с.

[7] Ляховецкий М.А., Королев Д.Д., Кожевников Г.Д. и др. Лазерное ударное упрочнение титанового сплава ВТ6 с алюминиевым абляционным покрытием. В: Быстрозакаленные материалы и покрытия. Москва, Пробел-2000, 2021, с. 258–263.

[8] Sakhvadze G.Zh., Gavrilina L.V. Single and multiple laser shock processing of materials. J. Mach. Manuf. Reliab., 2015, vol. 44, no. 6, pp. 549–554, doi: https://doi.org/10.3103/S105261881506014X

[9] Zhang Z., Liu M., Cao Z. et al. Numerical investigation of surface textural dimples of titanium alloy subjected to laser shock processing. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2022, no. 122, no. 3–4, pp. 1413–1429, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-022-09947-x

[10] Liu G., Yang S., Wang Y. et al. Parameter optimisation analysis of laser shock processing based on Ansys LS-Dyna. Emerg. Mater. Res., 2017, vol. 6, no. 1, pp. 132–138, doi: https://doi.org/10.1680/jemmr.15.00077

[11] Zhang X., Li H., Duan S. et al. Modeling of residual stress field induced in Ti–6Al–4V alloy plate by two sided laser shock processing. Surf. Coat. Technol., 2015, vol. 280, pp. 163–173, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.09.004

[12] Kumar G.R., Rajyalakshmi G. FE simulation for stress distribution and surface deformation in Ti-6Al-4V induced by interaction of multi scale laser shock peening parameters. Optik, 2020, vol. 206, art. 164280, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164280

[13] 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, no. 23, 107163, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107163

[14] Плехов О.А., Костина А.А., Изюмов Р.И. и др. Конечно-элементный анализ остаточных напряжений, возникающих в результате лазерной ударной проковки титанового сплава ВТ6. Вычислительная механика сплошных сред, 2022, т. 15, № 2, с. 171–184, doi: https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.2.13

[15] Cao Zw., Che Zg., Zou Sk. et al. Numerical simulation of residual stress field induced by laser shock processing with square spot. J. Shanghai Univ.(Engl. Ed.), 2011, vol. 15, no. 6, pp. 553–556, doi: https://doi.org/10.1007/s11741-011-0785-1

[16] Бузюкин А.Е., Гладкий И.Л., Краус Е.И. Определение параметров модели Джонсона-Кука для описания процессов деформирования и разрушения титановых сплавов. Прикладная механика и техническая физика, 2015, т. 56, № 2, с. 188–195, doi: https://doi.org/10.15372/PMTF20150219

[17] Hammer J.T. Plastic deformation and ductile fracture of Ti-6Al-4V under various loading conditions. Master’s thesis. Ohio State University, 2012. 243 p.

[18] Kim R., Suh J., Shin D. et al. FE analysis of laser shock peening on STS304 and the effect of static damping on the solution. Metals, 2021, vol. 11, no. 10, art. 1516, doi: https://doi.org/10.3390/met11101516