磨料水射流噴丸強(qiáng)化3D打印TC4表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律研究

王屹禎，王湘田，侯榮國，呂哲，盧萍，張玉龍，王瑞

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

工業(yè)領(lǐng)域中TC4鈦合金(Ti-6AL-4V)材料有著優(yōu)良的力學(xué)性能和物化性能(強(qiáng)度較高、抗氧化、耐腐蝕、抗高溫蠕變[1]等)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展被廣泛應(yīng)用于航空航天和高精密零部件的生產(chǎn)和制造[2]，因此，鈦合金零件的加工制造技術(shù)備受關(guān)注。3D打印技術(shù)由于其生產(chǎn)快速、適用范圍廣等優(yōu)點成為鈦合金零件制備的主要技術(shù)之一，然而在3D打印過程中TC4材料表面容易出現(xiàn)局部球化、微裂紋、孔隙以及翹曲變形等缺陷[3]，限制了3D打印鈦合金技術(shù)進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，因此采取合理的表面強(qiáng)化工藝減少3D打印TC4材料表面缺陷和提高疲勞強(qiáng)度非常重要。

磨料水射流噴丸強(qiáng)化工藝通過引入固液混合介質(zhì)，使材料表面發(fā)生循環(huán)塑性變形，表層水膜也能起到減小摩擦、表面冷卻和均布載荷的作用，同時，水射流噴丸強(qiáng)化工藝對于提高殘余壓應(yīng)力場、減少裂紋萌生和擴(kuò)展有更顯著的效果。鄒江河等[4]通過后混合水射流噴丸對Inconel718合金進(jìn)行表面改性發(fā)現(xiàn)，試樣殘余壓應(yīng)力沿層深成“勺”狀分布，距表面約30μm處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力最大值(約為1200MPa)。Barriuso S.等[5]利用高壓水射流對316L和TC4鈦合金表層進(jìn)行強(qiáng)化研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水壓為300MPa、射流移動速度為0.05～0.1m/min時，在10～20μm寬的亞表面區(qū)域出現(xiàn)明顯晶粒細(xì)化現(xiàn)象。Arola D.等[6]以鈦合金材料為研究對象，研究磨料水射流對鈦合金材料表面強(qiáng)化的效果，結(jié)果表明，材料表面殘余應(yīng)力的大小取決于磨粒顆粒粒度和射流壓力。程世平[7]對GH4169合金做了干、濕噴丸強(qiáng)化試驗，通過對比發(fā)現(xiàn)，與干噴丸相比，濕噴丸試樣會產(chǎn)生較大的表面殘余應(yīng)力和較小的表面粗糙度。張大[8]采用高壓水對7075T651試件和TC4試件進(jìn)行強(qiáng)化處理發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高壓水沖擊強(qiáng)化后TC4試件疲勞強(qiáng)度比之前提高了8.2%，比傳統(tǒng)噴丸提高了2%。鄧重啟[9]選取18CrNiMo7-6齒輪鋼材料為研究對象，采用后混合磨料水射流工藝進(jìn)行表面強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)固液耦合作用會對材料表面產(chǎn)生沖蝕和剪切，而水射流噴丸強(qiáng)化過程中，顆粒對靶材的沖擊過程相對比較短暫，很難通過試驗檢測的方法來分析解釋彈丸撞擊靶材的物理過程。

本文通過對3D打印TC4試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)拉伸試驗，得到相應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變參數(shù)曲線，獲得3D打印TC4的J-C本構(gòu)模型，借助ABAQUS軟件分析噴丸速度對3D打印TC4試件表面殘余壓應(yīng)力分布的影響規(guī)律，通過相關(guān)試驗驗證水射流噴丸強(qiáng)化3D打印TC4材料仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性，為其工程應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

2 力學(xué)性能測試及本構(gòu)模型構(gòu)建

在磨料水射流噴丸強(qiáng)化過程中，由于鋼丸沖擊靶材時材料表面屬于高應(yīng)變率狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)，所以一般的材料參數(shù)很難準(zhǔn)確描述出噴丸強(qiáng)化過程中靶材的力學(xué)行為特征，有必要構(gòu)建其本構(gòu)模型。

2.1 力學(xué)性能測試

試驗材料通過激光融化(SLM)的方式制備，選用粒徑為15～53μm的TC4鈦合金球形粉末，3D打印成型主要參數(shù)為激光功率P=275W，掃描速度v=1100mm/s，單次打印層厚30μm，掃描間距120μm，光斑尺寸80μm。如圖1所示，試件尺寸及形狀為10mm×10mm×10mm的正方體。

(a)噴丸強(qiáng)化試件

(b)靜態(tài)拉伸試件

如圖2所示，準(zhǔn)靜態(tài)試驗采用Instron5969萬能材料拉伸試驗機(jī)，拉伸速率為1N/s，試驗機(jī)最大拉伸載荷為100kN，拉伸環(huán)境約為25℃，試驗機(jī)夾緊試件時需提前標(biāo)定拉伸段寬度為4mm，標(biāo)距段長度為25mm(見圖1b)，試件垂直放置在夾具中央，在室溫的條件下(30℃)，以一定的應(yīng)變率對試件緩慢施加軸向拉伸載荷[10]。

圖2 Instron5969萬能材料拉伸試驗機(jī)

通過三組拉伸試驗得到三組工程應(yīng)力—應(yīng)變參數(shù)并進(jìn)行處理，取三次試驗結(jié)果的平均值得到3D打印鈦合金材料的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線(見圖3)。鈦合金材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線總共分三個階段(彈性階段、塑性節(jié)點和失效階段)。

圖3 3D打印鈦合金工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線

通過Origin軟件對應(yīng)力—應(yīng)變曲線中的彈性段進(jìn)行線性擬合得到此線段的平均斜率(金屬材料的彈性模量)為46，同時得到如表1所示的其他數(shù)據(jù)。

表1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果

2.2 構(gòu)建本構(gòu)方程

針對3D打印TC4材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型主要有J-C模型[11]、Bammann黏塑性模型[12]和Zerilli-Armstrong(Z-A)模型[13]，本文采用應(yīng)用廣泛的J-C本構(gòu)模型對鈦合金的力學(xué)應(yīng)變特性進(jìn)行描述。通過研究發(fā)現(xiàn)，水射流噴丸強(qiáng)化持續(xù)30min時工件表面平均溫度一直維持在30℃左右，不足以使鈦合金材料達(dá)到高溫軟化形態(tài)，所以舍棄溫度軟化函數(shù)相，又因噴丸強(qiáng)化不涉及加工材料漸進(jìn)退化，故不考慮斷裂損傷準(zhǔn)則。在仿真過程中因涉及到靶材瞬時速度沖擊變形響應(yīng)，理應(yīng)考慮高應(yīng)變率下的應(yīng)變函數(shù)，受試驗條件局限暫取C=0.011，等效應(yīng)變率為0.001/s進(jìn)行計算[14]。

綜上所述，J-C本構(gòu)模型可簡化為

σ=(A+Bεn)

(1)

式中，σ為等效應(yīng)力；A為初始屈服應(yīng)力，B為材料應(yīng)變硬化模量；ε為等效應(yīng)變；n為材料硬化指數(shù)。

J-C模型應(yīng)變函數(shù)相旨在研究塑性應(yīng)變對材料所起的作用，根據(jù)鈦合金工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線求解真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中，真實應(yīng)變εtr的求解公式為

εtr=ln(1+εe)

(2)

式中，εe為工程應(yīng)變。

真實應(yīng)力σtr為

σtr=σeexp(εtr)

(3)

在真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線基礎(chǔ)上求解真實應(yīng)力與真實塑性應(yīng)變的關(guān)系，真實塑性應(yīng)變εpl為

εpl=εtr-σtr/E

(4)

式中，E為材料彈性模量。

如圖4a所示，通過式(2)和式(3)求出材料真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線。將圖中虛線部分(彈性階段)移除，如圖4b所示，通過式(4)推算出真實應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線并通過MATLAB進(jìn)行擬合優(yōu)化求解。

(a)真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(b)真實應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線

J-C本構(gòu)模型參數(shù)見表2。

表2 3D打印TC4材料J-C模型參數(shù)

3 表面應(yīng)力分布數(shù)值模擬

通過ABAQUS有限元仿真軟件建立水射流單顆粒沖擊平面靶材有限元模型。假設(shè)鋼球在與靶材接觸的瞬間發(fā)生沖擊彈塑性變形，因此不考慮材料的斷裂失效和碰撞熱量影響。

3.1 建立物理模型及數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

(1)建立物理模型

不考慮小球變形因素，鋼丸采用解析剛體模型建模。底面設(shè)置固定約束條件，模型側(cè)邊和底面設(shè)置為無反射邊界，以減小應(yīng)力波對邊界產(chǎn)生反射干涉[15]，鋼丸直徑取0.4mm。

如圖5a所示，靶材模型尺寸為1mm×1mm×1mm。鋼丸與靶材之間的接觸類型為顯式動力學(xué)面-面接觸。如圖5b所示，對靶材網(wǎng)格撞擊區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，單元大小為0.01mm，其他區(qū)域網(wǎng)格大小默認(rèn)取0.06mm。

(a)單顆粒網(wǎng)格劃分模型

(b)單顆粒有限元模型

(2)數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

3D打印TC4材料塑性變形參數(shù)取自表2所示本構(gòu)模型參數(shù)，鋼丸及靶材材料屬性如表3所示。噴丸速度(射流壓力)分別取值10.7m/s(10MPa)，12.8m/s(20MPa)，16.2m/s(30MPa)，20.2m/s(40MPa)。

表3 靶材與鋼丸材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

圖6為靶材剖面殘余應(yīng)力云圖，隨著鋼丸速度的逐步增加，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力的區(qū)域不斷擴(kuò)大，表明速度的增大有益于表面強(qiáng)化。

(a)10.7m/s

(b)12.8m/s

(c)16.2m/s

(d)20.2m/s

圖7為不同噴丸速度下殘余應(yīng)力隨沖擊深度的變化曲線。結(jié)果表明，在四種不同速度下，殘余壓應(yīng)力最大值分別為-191MPa，-220MPa，-251MPa，-284MPa，最大應(yīng)力值發(fā)生位置距靶材表面深度分別為36μm，41μm，47μm，51μm，總體表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力的表層厚度為80μm，89μm，104μm，120μm?？芍S著鋼丸沖擊速度的增大，殘余壓應(yīng)力不斷增大，且最大應(yīng)力值發(fā)生位置距表面深度加大，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力的表層厚度不斷增大。

圖7 不同速度下殘余應(yīng)力隨沖擊深度的變化曲線

圖8為靶材剖面塑性應(yīng)變云圖。結(jié)果表明，增加鋼丸速度可以改變塑性變形層深度并提高材料的屈服強(qiáng)度。

(a)10.7 m/s

(b)12.8 m/s

(c)16.2m/s

(d)20.2m/s

圖9為不同噴丸速度下塑性應(yīng)變隨沖擊深度的變化曲線。結(jié)果表明，塑性應(yīng)變隨沖擊深度先是持續(xù)變大，隨后受顆粒沖擊力影響隨沖擊深度逐漸減弱，塑性應(yīng)變開始平滑下降?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋼丸速度提高一倍，塑性應(yīng)變提高了約40%，隨著沖擊速度的增大，表面塑性變形層厚度也隨之增大。

圖9 不同噴丸速度的塑性應(yīng)變隨沖擊深度變化曲線

4 驗證試驗

4.1 試驗參數(shù)設(shè)置

如圖10所示，試樣改性設(shè)備采用自制水射流噴丸強(qiáng)化試驗平臺，水射流噴丸表面強(qiáng)化處理加工系統(tǒng)主要由高壓射流加工噴嘴、高壓發(fā)生設(shè)備、數(shù)控平臺以及管路輔助系統(tǒng)等構(gòu)成。強(qiáng)化方式主要采用鋼丸顆粒后混合式加工方法。

(a)水射流噴丸強(qiáng)化機(jī)床 (b)水射流噴丸混合噴嘴 (c)數(shù)控平臺控制系統(tǒng)

噴嘴直徑為1mm，水射流噴丸速度分別選取10.7m/s，12.8m/s，噴丸角度為90°，靶距為10mm，噴丸時間為0.5s，噴嘴橫向移速為300mm/min，噴丸軌跡為2.5mm。

4.2 試驗結(jié)果與分析

采用Stresstech Xstress3000 G2R殘余應(yīng)力儀對2.5mm軌跡進(jìn)行采點，求殘余應(yīng)力平均值并與仿真結(jié)果進(jìn)行比對，試驗結(jié)果如表4所示，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果接近，因此可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果可靠，參數(shù)設(shè)置合理。

表4 仿真模擬值與試驗值對比

分析發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力數(shù)值模擬值普遍小于試驗真實值，兩者誤差值在17.3%左右。主要原因如下：試驗中噴丸是一個連續(xù)循環(huán)沖擊表面改性過程，受彈丸顆粒沖擊數(shù)量和沖擊次數(shù)的影響，沖擊動能在材料表面不斷轉(zhuǎn)化和累加，這將直接影響殘余應(yīng)力場的值域范圍；試驗中噴丸覆蓋率的提升會間接壓縮靶材應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域，導(dǎo)致殘余應(yīng)力不斷均化聚集。

5 結(jié)語

對3D打印TC4材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗，獲得該材料J-C本構(gòu)模型力學(xué)行為特性參數(shù)，借助ABAQUS軟件模擬單顆粒噴丸沖擊3D打印TC4材料的表面變形過程，并進(jìn)行了試驗驗證，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)噴丸速度在10.7～20.2m/s時，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力的材料表層厚度為80～120μm，而殘余壓應(yīng)力最大值范圍為-191～-284MPa。

(2)隨著鋼丸速度增大，最大殘余壓應(yīng)力值不斷增加，而且表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力的表層厚度也不斷增加。

(3)相關(guān)試驗驗證表明，水射流噴丸強(qiáng)化3D打印TC4材料殘余應(yīng)力數(shù)值模擬值與試驗值比較接近，可為其工程應(yīng)用提供試驗依據(jù)。