مطالعه تجربي و عددي اثر سرعت ذره و زاويه برخورد بر فرسايش آلياژ Ti-6Al-4V از طريق روش هيدروديناميك ذرات هموارتاثير

Study on effect of particle velocity and impact angle on erosion of Ti-6Al-4V alloy using smoothed particle hydrodynamics method

در مقاله حاضر، فرسايش ذرات جامد آلياژ Ti-6Al-4V تحت برخورد ذرات فرساينده كروي آلومينا به قطر 85 ميكرون، با استفاده از مطالعات تجربي و مدل‌سازي به روش هيدروديناميك ذرات هموار بررسي مي‌گردد. رفتار فرسايشي اين آلياژ به صورت ضربه در مقياس مايكرو و مبتني بر معادلات ساختاري جانسون ـ كوك شبيه‌سازي شده است. در اين پژوهش، بر روي اثر سرعت ذرات فرساينده و زاويه برخوردي بر نرخ فرسايش، به عنوان مهم‌ترين عوامل مؤثر بر فرسايش، تمركز شده است. هم‌چنين نتايج حاصل از مدل حاضر با نتايج تجربي حاصل از آزمايش در شرايط مورد نظر صحت‌سنجي مي‌گردد. در انتهاي مقاله، يك معادله به‌منظور پيش‌بيني نرخ فرسايش بر اساس خواص آلياژ، سرعت ذرات فرساينده و زاويه برخورد براي بازه سرعت و زاويه تحت بررسي ارائه شده كه با توجه به گستردگي بازه مورد بررسي، معادله مذكور بسيار ارزشمند مي‌باشد. نتايج حاصل از اين پژوهش نشان مي‌دهد كه بين سرعت ذرات و نرخ فرسايش يك رابطه تواني برقرار بوده كه توان اين رابطه مستقل از زاويه برخورد ذرات مي‌باشد. هم‌چنين در تمام بازه‌هاي سرعت و زاويه تحت بررسي، زاويه برخوردي 45 درجه، بيشترين ميزان نرخ فرسايش را از خود نشان داد. بنابراين زاويه بحراني در فرسايش نيز مستقل از سرعت برخورد ذرات مي‌باشد.

In the present study, solid particle erosion of Ti-6Al-4V alloy under the impact of spherical alumina particles with a diameter of 85 microns was analyzed using experimental studies and smoothed particle hydrodynamics (SPH) modeling. The erosive behavior of this alloy was simulated as impacts on micro-scale and based on Johnson-Cook constitutive equations. This research focuses on the effect of particle velocity and impact angle on erosion rate as the most critical factors. Additionally, the results of this model are validated by empirical results under-considered conditions. At the end of the article, based on the alloy properties, the velocity of particles, and impact angle, a prediction equation was presented on erosion rate in the studied range of velocity and impact angle. This study indicates a power-law equation between the velocity of particles and the erosion rate, where the power is independent of impact angle. Furthermore, in all the velocity and angle ranges, the maximum erosion rate was associated with the angle of 45o. Therefore, the critical angle in erosion is also independent of the velocity of particles.