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激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究
激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究
摘要：
激光冲击强化是一种表面处理技术，可在金属材料表面形成复杂的形貌，并改变材料的残余应力场。本研究通过有限元数值模拟方法，研究了激光冲击强化对TC17钛合金表面形貌及残余应力场的影响。结果表明，激光冲击强化可以显著改善TC17钛合金表面形貌，并使表面产生复杂的凸起和沟槽结构。此外，激光冲击强化还可以引入较大的残余压应力，提高材料的硬度和疲劳寿命。本研究为激光冲击强化技术在钛合金材料中的应用提供了理论依据。
关键词：激光冲击强化，TC17钛合金，形貌，残余应力场，有限元模拟
1.引言
TC17钛合金具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，广泛应用于航空、汽车和医疗等领域。然而，其表面易受到磨损和腐蚀的影响，降低了其使用寿命。因此，对TC17钛合金进行表面处理以提高其表面性能显得尤为重要。
激光冲击强化作为一种表面处理技术，可以通过激光能量的高度聚焦，在材料表面形成微观尺度的凹坑和凸起结构，同时改变材料的残余应力场。以往的研究已经证明，激光冲击强化可以显著提高金属材料的耐磨性、抗腐蚀性和疲劳寿命。因此，将激光冲击强化应用于TC17钛合金的表面处理中，可以预期其将显著改善TC17钛合金的表面性能。
2.数值模拟方法
本研究采用了有限元数值模拟方法，以模拟激光冲击强化对TC17钛合金表面形貌及残余应力场的影响。首先，使用Pro/Engineer软件建立了TC17钛合金的三维模型。然后，通过Fluent软件完成了激光脉冲能量的传导计算。最后，将模型导入到ABAQUS软件中进行激光冲击强化的有限元分析。
在有限元分析中，考虑到激光脉冲以及金属材料的物理特性，设置了适当的边界条件和材料参数。通过不断调整激光脉冲能量和作用时间，得到了TC17钛合金表面形貌及残余应力场的数值模拟结果。
3.结果与讨论
通过有限元数值模拟，研究了激光冲击强化对TC17钛合金表面形貌及残余应力场的影响。结果表明，激光冲击强化可以在TC17钛合金表面形成复杂的凸起和沟槽结构。这些结构表现出不同的形状和尺寸，并且随着激光脉冲能量的增加而增强。
此外，激光冲击强化还可以引入较大的残余压应力。通过调整激光脉冲能量和作用时间，可以改变残余应力的分布和大小。在数值模拟中，我们观察到残余应力主要集中在表面凸起和沟槽结构的尖端附近，同时凸起和沟槽之间的区域也存在较大的残余应力。
残余应力的引入可以显著影响材料的硬度和疲劳寿命。在TC17钛合金中，通过激光冲击强化引入的残余压应力可以提高材料的硬度，降低其疲劳裂纹扩展速率，从而提高其疲劳寿命。这一结果与先前的研究相一致，进一步验证了本研究的数值模拟结果的有效性。
4.结论
本研究通过有限元数值模拟研究，探讨了激光冲击强化对TC17钛合金表面形貌及残余应力场的影响。结果表明，激光冲击强化可以在TC17钛合金表面形成复杂的凸起和沟槽结构，并引入较大的残余压应力。这些结构和应力的引入可以显著改善TC17钛合金的表面性能，提高其硬度和疲劳寿命。
然而，本研究仅对激光冲击强化对TC17钛合金的影响进行了数值模拟研究，实际应用中仍需进一步的实验验证。此外，本研究也未考虑其他影响因素的影响，如激光束直径和扫描速度。因此，在未来的研究中，应综合考虑更多因素，并进一步验证数值模拟结果，以更全面地了解激光冲击强化技术在钛合金材料中的应用。
参考文献：
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