Влияние стратегии обработки на распределение остаточных напряжений сжатия в кромке пера лопатки из титанового сплава

Исследовано влияние стратегии лазерной ударной обработки на распределение остаточных напряжений сжатия в кромке пера лопатки изготовленной из титанового сплава. Обработка выполнена лазерным лучом без перекрытия пятен за один проход с обеих сторон кромки. Рассмотрены последовательная и одновременная обработки, в том числе при различной плотности мощности излучения и заданном коэффициенте перекрытия пятен лазера. Моделирование включало в себя два этапа: моделирование распространения упругопластических волн на основе определяющего соотношения Джонсона — Кука и статический расчет распределения остаточных напряжений. Предложен алгоритм определения оптимальных технологических параметров лазерной ударной обработки лопатки из титанового сплава. Показано, что одновременная двусторонняя обработка лопатки обеспечивает более равномерное распределение остаточных напряжений сжатия в кромке пера лопатки за один проход. Изменение размера пятна лазера приводит к изменению зоны высоких остаточных напряжений сжатия, которых следует избегать, так как они являются потенциальным очагом зарождения трещин. Увеличение энергии импульса лазерного излучения вызывает наведение остаточных напряжений растяжения в радиусе кромки пера лопатки при длине пятна 2 мм. Определен допускаемый диапазон плотности мощности излучения для обеспечения остаточных напряжений сжатия в кромке пера лопатки.
EDN: UNCSOO, https://elibrary/uncsoo

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] 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: 15.06.2024).

[3] Rotella G., Rinaldi S., Filice L. Roller burnishing of Ti6Al4V under different cooling/lubrication conditions and tool design: effects on surface integrity. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2020, vol. 106, no. 2, pp. 431–440. doi: https://doi.org/10.1007/s00170-019-04631-z

[4] 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

[5] 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

[6] 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.

[7] Mironov S., Ozerov M., Kalinenko A. et al. On the relationship between microstructure and residual stress in laser-shock-peened Ti-6Al-4V. J. Alloys Compd., 2022, vol. 900, art. 163383, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163383

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

[9] 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

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

[11] 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

[12] Wang S., 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.2021.107163

[13] 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

[14] Langer K., Spradlin T.J., Fitzpatrick M.E. Finite element analysis of laser peening of thin aluminum structures. Metals, 2020, vol. 10, no. 1, art. 93, doi: https://doi.org/10.3390/met10010093

[15] Bhamare S., Ramakrishnan G., Mannava S.R. et al. Simulation-based optimization of laser shock peening process for improved bending fatigue life of Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo alloy. Surf. Coat. Technol., 2013, no. 232, pp. 464–474, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.06.003 

[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 thesis. Columbus, Ohio State Univ., 2012. 243 p.