TC4钛合金喷丸强化过程数值模拟

杨天南，刘建邦，崔 旭

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁 沈阳 110043；2.沈阳航空航天大学 民用航空学院，辽宁 沈阳 110136）

1 引言

喷丸强化是最为有效的表面强化技术之一[1]。高速弹丸在工件上反复冲击，并将残余压应力引入零件表面，可以有效抑制循环载荷下的裂纹扩展，从而提高疲劳寿命[2,3]。TC4钛合金材料是航空工业广泛使用的零件材料，喷丸强化是提高此类零件疲劳寿命的有效工艺方法。影响喷丸强化效果的工艺参包括弹丸材料、弹丸直径、弹丸速度、喷丸时间以及零件表面形貌特征、热表处理，喷丸路径规划等因素[4,5]，因此，对于喷丸参数的选择和工艺过程优化是工程师关注和研究的重点。

利用有限元分析方法，对喷丸冲击强化过程进行数值模拟，可以降低试验成本，缩短研究时间。S.Bagherifard等人开发了重度喷丸强化（SSP）的有限元模型，用来预测表面纳米晶粒的形成[6]。Dorian Delbergue等运用离散元模型（DEM）和有限元模型（FEM）来预测喷丸对残余应力和粗糙度方面的影响[7]。Mahmoudi等人用实验和数值综合研究的方法研究了喷丸强化的残余压应力再分配的问题，验证了通过引入残余压应力点消除初始应力场的可行性[8]。Frija等人提出了一个三维有限元模型来预测残余压应力场[9]，Kim等人提出了一种三维有限元喷丸模型[10]，可以预测多重碰撞引起的残余压应力场。通过这些有限元分析模型，预测喷丸强化所引起的最初塑性形变过程。本文结合相关文献研究方法，运用有限元分析软件ANSYS对冲击强化进行数值模拟，研究弹丸冲击速度，以及连续冲击，对于TC4钛合金靶材表面残余应力场和表面形貌的影响。

2 建立仿真模型

2.1 材料选择

弹丸采用铸钢丸，直径0.4mm。靶材本文采用TC4钛合金。材料的基本力学性能见表1。由于喷丸过程中弹丸冲击靶材时靶材属于高应变率状态，所以采用一般的材料属性不能准确描述喷丸过程中靶材变化属性。本文中靶材采用Johnson-Cook本构模型。Johnson-Cook本构模型的基本表达式如下：

式中：A为屈服应力，B和n是应变强化参数，C为应变率敏感系数，m为温度软化效应[7]。

2.2 几何模型建立

喷丸强化过程中弹丸对靶材同一区域多次冲击，喷丸期间弹丸随机碰撞靶材，分布不规则。在仿真中对模型进行简化，本文中假设弹丸分布均匀，且速度方向都垂直于靶材表面。分别建立单弹丸和多弹丸的喷丸冲击强化模型，单弹丸模型如图1所示。在研究多弹丸连续冲击的影响时，采用3弹丸模型进行模拟。本文中几何模型是在CATIA V5中建立的，其中弹丸直径为0.4mm，靶材尺寸为 4mm×4mm×4mm。几何模型建立完成后导入Workbench，划分网格，网格密度对分析结果有显著影响，为提高计算结果的精度，在喷丸碰撞区域，应将网格足够细化，以准确获得残余应力场；本文中靶材采用六面体网格，弹丸采用四面体网格，靶材网格单元尺寸设置为0.08mm，弹丸的网格单元尺寸设置为0.1mm，完成网格划分后，靶材有125000个六面体单元，每个弹丸有447个四面体单元。

表1 模型材料的基本力学性能

图1 单弹丸冲击强化有限元模型

3 喷丸过程数值模拟研究

喷丸会对零件表面产生两个方面的影响：一个是有利影响，喷丸后在材料表面产生一定深度的残余压应力，可以有效抑制裂纹的萌生和扩展，提高疲劳寿命；另一个是不利影响，过大的冲击会导致材料的表面完整性被破坏，容易引起应力集中，减小材料的疲劳寿命。下文的数值模拟中，将以残余应力分布和冲击弹坑深度作为主要指标，研究喷丸强化参数对强化效果的影响。

3.1 弹丸速度对喷丸效果的影响

设定约束条件，将除了冲击表面的其余五个面都施加固定约束。参考实际喷丸工艺中弹丸的初始速度大小，将仿真的弹丸速度分别设置为40m/s、60 m/s、80m/s以及100m/s，分别进行模拟计算。可以得到不同速度下，深度方向上的应力云图，如图2所示。可以发现随着冲击速度的增加残余压应力的影响区域明显扩大。

提取不同冲击速度下靶材表面残余压应力的分布，得到以下曲线，如图3所示。可以看出随着喷丸速度的增大，最大残余压应力值增大，40m/s时约为466MPa，60m/s 时 约 为 613MPa，80m/s 时 约 为680MPa，100m/s时约为756MPa。残余压应力层的厚度也随着喷丸速度的增大而增大。四种速度下残余压应力层厚度分别为0.1mm，0.15mm，0.2mm以及0.3mm。当深度超过0.4mm后，变化趋于平缓。

图2 不同冲击速度下的应力云图

图3 喷丸速度对靶材残余应力分布的影响

图4是不同喷丸速度下对应的弹坑深度，由图4可见喷丸速度对弹坑深度的影响比较大。虽然较大的喷丸速度能够产生较好的残余压应力效果，但是喷丸速度越大弹坑深度也越大，从而导致靶材表面粗糙度增大，而较大的表面粗糙度容易产生应力集中，这不利于零件疲劳强度的提高。因此，需要综合考虑残余压应力和表面粗糙度对喷丸强化效果的影响，选出合理的喷丸速度。

图4 喷丸速度对弹坑深度的影响

3.2 连续冲击对喷丸效果的影响

喷丸强化是大量弹丸冲击作用的累积，随喷丸时间增加，同一位置可能会受到多次冲击。为了研究多次冲击对于残余压应力的影响，本文建立了3次连续冲击模型。弹丸直径选择0.4mm，喷丸速度选为80m/s。进行数值模拟，得到3次冲击下，沿靶材深度方向上的应力云图，如图5所示。可以看出，随着冲击次数的增加，最大残余压应力增大，但是增幅很小。残余压应力层的深度也随着冲击次数的增加而增加。最主要的变化是残余压应力的分布变得更为均匀。同时也可以看到弹坑深度随着冲击次数的增加而增大。

图5 连续三次冲击的应力云图

图6是不同冲击次数下残余应力的分布曲线。由图可以看出三种情况下最大残余压应力的值基本不变，可以认为，同一区域的多次冲击对最大残余压应力影响不大，可以忽略不计。残余压应力层的深度变化比较明显，残余压应力层深度随着冲击次数的增大而增大，但是增幅随着冲击次数的增加而逐渐减小。图7是不同冲击次数对于弹坑深度的影响，可以看出弹坑深度随着冲击次数的增加而增大，但是增幅也逐渐减小。

图6 不同冲击次数下残余应力的分布

图7 不同冲击次数对弹坑深度的影响

4 结论

（1）在其他参数相同的情况下，靶材受喷区域的最大残余压应力，以及残余压应力层深度都随喷丸速度的增大而增大，这是因为弹丸速度的增大，使得弹丸的动能增加，较大的冲击能量会引起TC4钛合金靶材更大的塑性变形。

（2）受连续冲击的靶材的残余压应力分布比受单次冲击的靶材的残余压应力的分布均匀，因此，在实际喷丸工艺中，应尽可能保证高于100%的覆盖率。

（3）同一区域的多次冲击对最大残余压应力影响不大，可以忽略不计。残余压应力层的深度变化比较明显，残余压应力层深度随着冲击次数的增大而增大，但是增幅随着冲击次数的增加而逐渐减小。同时弹坑深度也随着冲击次数的增加而增大。

喷丸强化的最终效果跟很多因素有关，除本文提到的弹丸直径、喷丸速度和冲击次数以外，还有冲击角度、覆盖率等。所以应针对材料特点，协调各影响因素，以达到最佳喷丸强化效果。