淹沒水射流沖擊鈦合金的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、對(duì)空化的認(rèn)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(dāng)液體內(nèi)局部壓強(qiáng)低于飽和蒸汽壓、并持續(xù)足夠長的時(shí)間，空化現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生。對(duì)大多數(shù)流體工程來說，空化現(xiàn)象是一種危害，它會(huì)造成材料剝蝕、振動(dòng)噪聲等現(xiàn)象。然而，空化效應(yīng)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(jì)80年代末，Zafred首先提出了利用高壓水射流進(jìn)行金屬表面強(qiáng)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(yīng)力分布。殘余壓應(yīng)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(kuò)展，從而提高材料的疲勞壽命。
　　淹沒水射流強(qiáng)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(duì)材料的表面進(jìn)行改性。空化水射流強(qiáng)化和傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化技術(shù)具有相同的強(qiáng)化效果，還能克服噴丸強(qiáng)化后表面質(zhì)量差、成本高的缺點(diǎn)。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(yīng)力集中，

3、提高材料的抗疲勞強(qiáng)度。
　　本文采用ANSYS FLUENT計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)淹沒和非淹沒水射流的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析淹沒和非淹沒水射流的速度分布和滯止壓強(qiáng)特征。數(shù)值模擬側(cè)重對(duì)淹沒水射流流場(chǎng)中的空化現(xiàn)象進(jìn)行捕捉與分析;根據(jù)射流剪切層內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化及流速的分布形態(tài)，對(duì)淹沒水射流空化進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(qiáng)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?jǐn)?shù)降低。而且，空化相的總體體積分?jǐn)?shù)隨射流壓力的增加而增加，而當(dāng)射流壓力達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)提高射流壓力對(duì)空化相體積分?jǐn)?shù)的影響不明顯。在本研究中，根據(jù)空化相體積分?jǐn)?shù)和空泡分布的位置特點(diǎn)，確定了淹沒水射流沖擊實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)為:射流壓力為120MPa，靶距為10-20mm。
　　本文的另一項(xiàng)工作內(nèi)容為射流沖擊實(shí)驗(yàn)，試樣材料選取退火態(tài)鈦合金(T

5、℃4)。沖擊實(shí)驗(yàn)分為非淹沒和淹沒水射流兩組，兩組實(shí)驗(yàn)的其余參數(shù)設(shè)置完全一致。實(shí)驗(yàn)中改變射流壓力和靶距進(jìn)行多角度對(duì)比分析，對(duì)沖擊后的試樣表面形貌進(jìn)行三維輪廓掃描，然后進(jìn)行殘余應(yīng)力和顯微硬度測(cè)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?yàn)檠蜎]水射流的沖擊力主要來自于射流的滯止壓強(qiáng)和空泡潰滅形成的沖擊波。其中滯止壓強(qiáng)被環(huán)境水體