一家专注流体压力成形技术
【作 者】季佳余;屈美娇;庞智聪;李孟奇;何卫锋
钛合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀等优点，在航天航空领域应用广泛[1]。由于钛合金室温塑性差、冷成形困难，通常采用热成形法制备[2]。传统的热成形法消耗巨大的模具研制成本，延长制造周期，存在加工柔性差、装配调试时间长、生产成本高等问题[3]。激光冲击成形(laser peen forming, LPF)是在高应变率下的超快冷塑性、非接触式柔性成形技术，无需模具，可提高工件表面的抗疲劳和耐腐蚀性，兼具成形与改性的特点，这种方法主要用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109 W/cm2)的激光辐照金属表面，使金属表面涂覆的保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高压(>1 GPa)等离子体形成高压冲击波(GPa量级)向材料内部传播，利用冲击波效应力在材料表层产生塑性变形[4-5]。
数值模拟可节省激光冲击成形试验的大量试错成本，已成为研究LPF的有效手段。2010年，Ding等[6-7]通过Ansys/LS-DYNA仿真研究了激光脉宽为6~8 ns、功率密度为4.5 GW/cm2下不同厚度铝板的变形方式，得出铝板在厚度小于0.6 mm时凹弯曲，厚度大于0.9mm时凸弯曲，并于2014年提出，临界厚度为0.70~0.88 mm。
为揭示激光冲击不同厚度TC4钛合金板的成形机理，探究TC4钛合金平板凹、凸变形的临界厚度及变形机理，本文作者用有限元软件Abaqus进行TC4钛合金板的单点激光冲击有限元模拟，研究不同厚度TC4钛合金板激光冲击后的变形规律，选0.3 、1.0 mm厚度板，探究单点冲击时应力波传播、衰减、反射、藕合规律，结合冲击后板料残余应力、应变分布阐述平板凹、凸变形机理，为TC4钛合金LPF工艺设计和工程应用提供理论依据和参考。
【结 论】
（1）在激光能量为6J、光斑直径为3 mm时，对不同厚度TC4钦合金板进行了LPF模拟。0.3~0.5 mm板凹变形，变形量随厚度增加迅速减小;0.6 、1.0 mm板凸变形，变形量随厚度增加缓慢增大并趋于平稳;变形方向发生改变的临界厚度为0.5~0.6 mm。
（2）激光冲击波在厚度为0.3 mm板内衰减速度不变，在厚度为1 mm板内随时间先快速衰减后缓慢衰减。这两种厚度板中，当激光冲击波第一次在平板背面反射后均形成拉伸波，与人射波藕合导致人射压应力急剧衰减，后在材料内完全形成拉应力并向冲击表面传递，在表面产生残余拉应力。
（3）厚度为0.3、1.0 mm的TC4钛合金板经LPF处理后，残余应力分布规律相反，前者冲击表面形成残余拉应力，背面形成残余压应力，导致平板朝冲击方向凹变形;后者冲击表面形成残余压应力，背面形成残余拉应力，导致平板凸变形。
以下是正文：
