【作 者】季佳余;屈美嬌;龐智聰;李孟奇;何衛(wèi)鋒

　　鈦合金具有比重小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。由于鈦合金室溫塑性差、冷成形困難，通常采用熱成形法制備[2]。傳統(tǒng)的熱成形法消耗巨大的模具研制成本，延長(zhǎng)制造周期，存在加工柔性差、裝配調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[3]。激光沖擊成形(laser peen forming, LPF)是在高應(yīng)變率下的超快冷塑性、非接觸式柔性成形技術(shù)，無(wú)需模具，可提高工件表面的抗疲勞和耐腐蝕性，兼具成形與改性的特點(diǎn)，這種方法主要用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>109 W/cm2)的激光輻照金屬表面，使金屬表面涂覆的保護(hù)層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(>1 GPa)等離子體形成高壓沖擊波(GPa量級(jí))向材料內(nèi)部傳播，利用沖擊波效應(yīng)力在材料表層產(chǎn)生塑性變形[4-5]。

　　數(shù)值模擬可節(jié)省激光沖擊成形試驗(yàn)的大量試錯(cuò)成本，已成為研究LPF的有效手段。2010年，Ding等[6-7]通過(guò)Ansys/LS-DYNA仿真研究了激光脈寬為6~8 ns、功率密度為4.5 GW/cm2下不同厚度鋁板的變形方式，得出鋁板在厚度小于0.6  mm時(shí)凹彎曲，厚度大于0.9mm時(shí)凸彎曲，并于2014年提出，臨界厚度為0.70~0.88 mm。

　　為揭示激光沖擊不同厚度TC4鈦合金板的成形機(jī)理，探究TC4鈦合金平板凹、凸變形的臨界厚度及變形機(jī)理，本文作者用有限元軟件Abaqus進(jìn)行TC4鈦合金板的單點(diǎn)激光沖擊有限元模擬，研究不同厚度TC4鈦合金板激光沖擊后的變形規(guī)律，選0.3 、1.0 mm厚度板，探究單點(diǎn)沖擊時(shí)應(yīng)力波傳播、衰減、反射、藕合規(guī)律，結(jié)合沖擊后板料殘余應(yīng)力、應(yīng)變分布闡述平板凹、凸變形機(jī)理，為TC4鈦合金LPF工藝設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

　　【結(jié) 論】

　　（1）在激光能量為6J、光斑直徑為3 mm時(shí)，對(duì)不同厚度TC4欽合金板進(jìn)行了LPF模擬。0.3~0.5 mm板凹變形，變形量隨厚度增加迅速減小;0.6 、1.0 mm板凸變形，變形量隨厚度增加緩慢增大并趨于平穩(wěn);變形方向發(fā)生改變的臨界厚度為0.5~0.6 mm。

　　（2）激光沖擊波在厚度為0.3  mm板內(nèi)衰減速度不變，在厚度為1 mm板內(nèi)隨時(shí)間先快速衰減后緩慢衰減。這兩種厚度板中，當(dāng)激光沖擊波第一次在平板背面反射后均形成拉伸波，與人射波藕合導(dǎo)致人射壓應(yīng)力急劇衰減，后在材料內(nèi)完全形成拉應(yīng)力并向沖擊表面?zhèn)鬟f，在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

　?。?）厚度為0.3、1.0 mm的TC4鈦合金板經(jīng)LPF處理后，殘余應(yīng)力分布規(guī)律相反，前者沖擊表面形成殘余拉應(yīng)力，背面形成殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致平板朝沖擊方向凹變形;后者沖擊表面形成殘余壓應(yīng)力，背面形成殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致平板凸變形。

　　以下是正文：