淹沒水射流沖擊鈦合金的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、對空化的認知和研究已有一百多年的歷史，空化是發(fā)生在液體內(nèi)部的瞬變現(xiàn)象，其本質(zhì)是相變，是液體內(nèi)部降壓的結(jié)果。當液體內(nèi)局部壓強低于飽和蒸汽壓、并持續(xù)足夠長的時間，空化現(xiàn)象就會產(chǎn)生。對大多數(shù)流體工程來說，空化現(xiàn)象是一種危害，它會造成材料剝蝕、振動噪聲等現(xiàn)象。然而，空化效應在環(huán)保、鉆探、清洗等行業(yè)中已被證明是一種有利的因素。
　　20世紀80年代末，Zafred首先提出了利用高壓水射流進行金屬表面強化的想法。高速水射流沖擊材料表面，使表層

2、材料在再結(jié)晶溫度以下發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應力分布。殘余壓應力可以增加材料的表面硬度，有效控制疲勞裂紋源的萌生和擴展，從而提高材料的疲勞壽命。
　　淹沒水射流強化是一種新型冷加工技術(shù)，它依靠射流沖擊力和空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波對材料的表面進行改性?？栈淞鲝娀蛡鹘y(tǒng)的噴丸強化技術(shù)具有相同的強化效果，還能克服噴丸強化后表面質(zhì)量差、成本高的缺點。淹沒水射流沖擊后的材料表面光滑、干凈、粗糙度低，可以緩解材料內(nèi)部的應力集中，

3、提高材料的抗疲勞強度。
　　本文采用ANSYS FLUENT計算流體動力學軟件對淹沒和非淹沒水射流的流場進行數(shù)值模擬，對比分析淹沒和非淹沒水射流的速度分布和滯止壓強特征。數(shù)值模擬側(cè)重對淹沒水射流流場中的空化現(xiàn)象進行捕捉與分析;根據(jù)射流剪切層內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)的變化及流速的分布形態(tài)，對淹沒水射流空化進行預測。研究結(jié)果表明，受環(huán)境水體的影響，淹沒水射流的速度和壓強明顯衰減;空化產(chǎn)生于射流和環(huán)境水體相互作用的剪切層區(qū)，空化區(qū)橫斷面呈環(huán)狀;沿射

4、流方向，空化區(qū)經(jīng)歷了形成和發(fā)展的過程，而后隨靶距的增大和射流流速降低，空化區(qū)開始發(fā)散，空化相體積分數(shù)降低。而且，空化相的總體體積分數(shù)隨射流壓力的增加而增加，而當射流壓力達到一定值時，繼續(xù)提高射流壓力對空化相體積分數(shù)的影響不明顯。在本研究中，根據(jù)空化相體積分數(shù)和空泡分布的位置特點，確定了淹沒水射流沖擊實驗的工藝參數(shù)為:射流壓力為120MPa，靶距為10-20mm。
　　本文的另一項工作內(nèi)容為射流沖擊實驗，試樣材料選取退火態(tài)鈦合金(T

5、℃4)。沖擊實驗分為非淹沒和淹沒水射流兩組，兩組實驗的其余參數(shù)設(shè)置完全一致。實驗中改變射流壓力和靶距進行多角度對比分析，對沖擊后的試樣表面形貌進行三維輪廓掃描，然后進行殘余應力和顯微硬度測試。研究結(jié)果表明，非淹沒水射流易造成試樣表面破壞，沖蝕坑的深度在60-190μm之間，顯微硬度的最大值為412 HV。淹沒水射流沖擊后的表面平整，表面質(zhì)量更高，因為淹沒水射流的沖擊力主要來自于射流的滯止壓強和空泡潰滅形成的沖擊波。其中滯止壓強被環(huán)境水體