【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、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，在航天航空領域應用廣泛[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，延長制造周期，存在加工柔性差、裝配調試時間長、生產成本高等問題[3]。激光沖擊成形(laser peen forming, LPF)是在高應變率下的超快冷塑性、非接觸式柔性成形技術，無需模具，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，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層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產生高壓(>1 GPa)等離子體形成高壓沖擊波(GPa量級)向材料內部傳播，利用沖擊波效應力在材料表層產生塑性變形[4-5]。

　　數(shù)值模擬可節(jié)省激光沖擊成形試驗的大量試錯成本，已成為研究LPF的有效手段。2010年，Ding等[6-7]通過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時凹彎曲，厚度大于0.9mm時凸彎曲，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鈦合金板的成形機理，探究TC4鈦合金平板凹、凸變形的臨界厚度及變形機理，本文作者用有限元軟件Abaqus進行TC4鈦合金板的單點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，探究單點沖擊時應力波傳播、衰減、反射、藕合規(guī)律，結合沖擊后板料殘余應力、應變分布闡述平板凹、凸變形機理，為TC4鈦合金LPF工藝設計和工程應用提供理論依據(jù)和參考。

　　【結 論】

　?。?）在激光能量為6J、光斑直徑為3 mm時，對不同厚度TC4欽合金板進行了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。

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

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

　　以下是正文：