Влияние параметров лазерной ударной обработки на распределение остаточных напряжений в кромке лопатки компрессора из титанового сплава

Исследовано влияние параметров лазерного излучения на распределение остаточных напряжений в кромке лопатки компрессора из титанового сплава при математическом моделировании лазерной ударной обработки ее части. Обработка выполнена лазерным лучом квадратной формы со стороной размером 1…3 мм без перекрытия пятен в один проход. Исследование включало в себя два этапа: моделирование распространения упругопластических волн на основе определяющего соотношения Джонсона — Кука и статический расчет распределения остаточных напряжений в кромке лопатки. Влияния параметров на распределение остаточных напряжений по радиусу кромки не обнаружено. Использование различных стратегий обработки при квадратном пятне со стороной размером 1 мм не вызвало значимого изменения распределения остаточных напряжений по сечению кромки. При размере стороны лазерного пятна 2 мм вторая стратегия обработки привела к возникновению больших остаточных напряжений сжатия, а третья — к появлению остаточных напряжений растяжения. Смещение зоны лазерной ударной обработки на 0,5 мм от радиуса кромки лопатки при длине квадратного пятна 1 мм не выявило преимуществ перед стандартной схемой обработки. Уровень остаточных напряжений сжатия при стандартной схеме обработки оказался выше, чем при схеме со смещением зоны обработки. Лазерная ударная обработка приводит к наведению остаточных напряжений сжатия как в поверхностном слое (до –0,24 отн. ед.), так и на глубину до 0,4 мм с обеих сторон кромки даже на расстоянии 1 мм вне зоны обработки. Увеличение энергии импульса повышает уровень остаточных напряжений сжатия, глубина которых при этом остается неизменной. При длинах квадратного пятна 1…2 мм глубина остаточных напряжений сжатия превышает середину кромки по всей длине, при длине 3 мм — только на длине 0,2…1,0 мм от радиуса кромки. Для равномерного распределения остаточных напряжений по сечению кромки необходимо проводить лазерную ударную обработку лопатки с обеих сторон. Чтобы снизить время проведения такой обработки, необходимо применять квадратное пятно со стороной длиной 3 мм и энергией 5…8 Дж.
EDN: IKHWDF, https://elibrary/ikhwdf

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. 35–41. EDN: JEEASU

[5] Hu Y., Yao Z., Hu J. 3-D FEM simulation of laser shock processing. Surf. Coat. Technol., 2006, vol. 201, no. 3–4, pp. 1426–1435, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.02.018

[6] Fang Y. Simulation and experiment of impact effects of nanosecond pulse laser-generated processing Ti-6Al-4V alloy. J. of Materi. Eng. and Perform., 2021, vol. 30, no. 8, pp. 5515–5523, doi: https://doi.org/10.1007/s11665-021-05551-4

[7] 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

[8] Fameso F., Desai D., Schalk K. et al. Residual stress enhancement by laser shock treatment in chromium-alloyed steam turbine blades. Materials, 2022, vol. 15, no. 16, art. 5682. doi: https://doi.org/10.3390/ma15165682

[9] 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

[10] 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

[11] Сихамов Р.А., Фомин Ф., Келлер З. и др. Моделирование остаточных напряжений, созданных методом лазерного ударного упрочнения. Аллея науки, 2019, т. 2, № 6, с. 18–25. URL: https://alley-science.ru/domains_data/files/Collection_of_journals/Iyun%202%20tom.pdf

[12] 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

[13] 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, no. 559, pp. 683–692, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.09.009

[14] Ma S., Ding X., Yang Z. et al. Numerical simulation of TC17 titanium alloy thin blade strengthened by laser shock processing. APISAT 2021. Vol. 1. Springer, 2022, pp. 949–961, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-19-2689-1_73

[15] Ding X., Li H., Jiang Z. et al. Prediction of surface residual stresses after laser shock processing on TC4 titanium alloy using different neural network agent models. Coatings, 2023, vol. 13, no. 11, art. 1889, doi: https://doi.org/10.3390/coatings13111889

[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