CN102199690A - 一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，采用高功率密度(＞1GW/cm2)、短脉冲(飞秒、皮秒和纳秒)的强激光辐照靶材，产生高压等离子体冲击波并作用在构件表面，冲击波在材料内部传播过程中引起材料高应变率动态变形，在高于一定阈值压力的冲击波搭接和多次作用下，构件表层形成纳米晶。本发明适应于多晶体金属任意构件，激光等离子体冲击波表面纳米化与残余压应力强化机制相结合，可大幅提高构件抗疲劳、耐磨损等性能，克服了残余压应力在较高温度环境下松弛，降低强化效果的缺点。

Description

一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术和激光加工领域，特指一种利用激光等离子体冲击波实现金属材料表面纳米化的处理方法。
背景技术
由于最大应力一般发生在构件表面，同时表面的缺陷也往往最多，疲劳裂纹常常从构件表面开始，因此，金属构件的表面层状态对疲劳强度有显著影响。国际上一般采用表面强化的方法提高构件的疲劳强度，延长使用寿命。
常用的表面强化方法，如喷丸、低塑性滚光、激光冲击强化等，其基本原理是在构件表面引入残余压应力，产生位错，从而提高表层材料的硬度和疲劳性能。由于纳米晶体具有优良的力学性能和稳定性，在构件上制备一层纳米结构表层，也就是实现表面纳米化，不改变基体的组织结构，就可以通过表层纳米组织的优良性能提高构件的整体服役行为。
金属构件的表面纳米化是通过一定的方法使金属表层晶粒细化形成纳米晶，该纳米层具有优异的力学性能、摩擦磨损性能、扩散行为和化学反应特性等。目前，实现表面纳米化的方法主要有三种基本方法：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化等。其中，表面自身纳米化设备简单，纳米结构表层与基体无明显的界面，在使用过程中不会由于外界的温度和应力条件发生改变引起剥层和脱落，同时，处理前后结构外形尺寸基本不变，因而具有广阔的应用前景。表面自身纳米化方法主要包括表面机械研磨(SMAT)、高能球磨(HEBM)和高能喷丸(HESP)等。目前，表面机械研磨(SMAT)研究相对较多，设备体积较小，只适用于小尺寸平面试件，目前只在试验室研究使用；高能喷丸将试件固定在U形容器中进行表面纳米化处理，也只针对平板试件，尚不能对实际构件进行处理。
当高功率密度(＞1GW/cm2)短脉冲(皮秒、飞秒和纳秒)的强激光辐照靶材，在极短的时间内靶材汽化、电离形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速膨胀，从而在靶材中引起很强(＞1GPa)的冲击波，将光能转变为冲击波机械能，冲击波在材料内部传播过程中，引起材料的高应变率动态响应，当冲击波超过一定的阈值，将引起材料微观组织的改变，使表层组织纳米化，纳米组织具有优良的热稳定性，从而提高高温环境下部件的疲劳强度或寿命。
多晶体金属材料的激光等离子体冲击波表面自纳米化方法是一种与机械研磨和喷丸等方法不同的处理方式，可用于复杂构件的表面强化，提高其疲劳性能。对于可用于工业化应用的大型、复杂型面的金属材料表面自身纳米化的技术未见相关报道。
发明内容
为了克服现有表面自纳米化的不足，本发明提供一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，利用激光诱导的等离子体高压冲击波，使多晶金属材料表面在冲击波作用下，发生高应变率、多次塑性变形，形成一定厚度的纳米晶，大幅度提高金属材料疲劳性能、抗腐蚀及耐磨性，可实现表面纳米化技术在工业上的应用。
技术方案
一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在待加工材料表面制备0.01mm～0.1mm厚度的激光吸收层；
步骤2：采用流动水介质在待加工材料表面形成1mm～2mm厚的水约束层；
步骤3：调整激光与待加工材料表面的入射角0～60度，设定激光功率密度＞1GW/cm2，选择激光脉冲量级为飞秒、皮秒或纳秒；
步骤4：激光以5Hz以上的重复频率、50％以上的搭接率的方式对待加工材料表面进行2-6次冲击处理，在材料表层形成均匀的纳米晶。
所述激光吸收层采用在待加工材料表面涂覆黑漆得到。
所述激光吸收层采用在待加工材料表面粘贴胶带或铝箔得到。
本发明方法中利用短脉冲高功率密度激光脉冲诱导产生的等离子体冲击波，按扫描的方式作用在材料表面，靶面吸收高能激光并汽化、爆炸产生等离子体。水约束层将高温高压的等离子体约束在靶材表面，受约束的等离子体形成高压冲击波加载于靶面。当等离子体冲击波(包括反射和透射冲击波)在靶材内部传播，诱导靶材发生高应变率动态响应，产生高密度位错并使晶粒细化。
有益效果
本发明提出的多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，利用短脉冲高功率密度激光脉冲诱导产生的等离子体冲击波，按扫描的方式作用在材料表面，使材料发生高应变率动态响应，从而诱发晶粒细化，在激光等离子体冲击波的多次作用下，形成纳米晶粒。
本发明的突出优点是：
(1)利用短脉冲(飞秒、皮秒和纳秒)的激光辐照产生高压冲击波，实现多晶体金属的表面自纳米化。冲击波压力可达数万个大气压，工件变形小、时间短、无污染。
(2)激光诱导产生高压冲击波，指向性好、光斑小(数十微米)可实现复杂型面的表面自纳米化；处理面积可调，既可以处理数平方毫米的小型构件，也可以处理数平方米的大型构件。
(3)生成的纳米晶易于控制。通过对冲击次数、激光功率密度和搭接率等参数的改变，可以控制纳米晶的晶粒大小、纳米层厚度和分布。
(4)工作效率高。可采用低能量(数百mJ)的Nd:YAG激光器来进行冲击，其重复频率可达上百赫兹。
附图说明
图1：激光冲击波表面纳米化方法。
1-激光，2-等离子体，3-冲击波，4-约束层，5-吸收层，6-靶材
图2：激光诱导冲击波在界面上的反射和透射。
1-激光，2-等离子体，7-界面切向，8-界面法向，9-透射波，10-反射波，11-入射波，12-晶粒，13-晶界
图3：不同次数激光诱导冲击波产生的纳米晶；
(a)冲击3次；(b)冲击5次
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
本实施例中，采用20纳秒激光对钛合金(Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si)试件进行处理，具体实施步骤为：
步骤1：在待加工材料的Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si钛合金试件表面粘贴黑胶带激光吸收层厚度为0.1mm；见图1
步骤2：采用流动水介质在待加工材料表面形成1mm厚的水约束层；
步骤3：调整激光与待加工材料表面的入射角为0度，设定激光功率密度2.86GW/cm2，选择激光脉冲量级为20纳秒；
步骤4：激光以10Hz的重复频率、70％搭接率的方式对待加工材料表面进行3次冲击处理，在材料表层形成均匀的纳米晶。见图3a
黑胶带吸收高能激光并汽化、爆炸产生高温高压等离子体(图1，2)，并可通过水约束层(图1，4)将高温高压的等离子体约束在Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si钛合金试件表面，形成高压等离子体冲击波(图1，3)。搭接冲击波的作用有利于已形成的位错移动或增值。
采用上述步骤，改变步骤4的冲击次数为5，得到图3b的材料表层形成均匀的纳米晶的结果。
在步骤3中改变激光功率密度为4.24GW/cm2，按照步骤1～步骤4，分别对材料进行2-6次冲击处理。
在步骤3中改变激光功率密度为4.77GW/cm2，按照步骤1～步骤4，分别对材料进行2-6次冲击处理。
在步骤1中在在待加工材料表面涂覆黑漆0.01mm～0.1mm，分别改变冲激光功率密度进行2-6次冲击处理。
在步骤1中在在待加工材料表面粘贴铝箔0.01mm～0.1mm，分别改变冲激光功率密度进行2-6次冲击处理。
当高压冲击波波阵面在钛合金内部的界面(相界、晶界等)发生反射、折射和扰动等现象(图2)，引起表层材料发生高应变率、剧烈塑性变形，产生高密度位错。
通过以上实施例，可以看出本发明的效果是：在钛合金试件激光等离子体冲击波处理区域，表层厚度在十微米左右存在纳米晶。试验结果表明：单次扫描冲击，在钛合金表面就有纳米晶产生，随着冲击次数的增加，在材料表面的纳米晶越发均匀。
本发明提供的激光诱导冲击波实现表面自身纳米化的方法，与残余压应力的强化机制相结合，对于改善构件表面性能，提高疲劳强度有明显的作用，尤其是高温环境下，残余压应力部分释放，表面纳米化的强化机制将起主要作用。经激光冲波表面纳米化的钛合金、不锈钢具有良好的抗疲劳、耐磨损性能指标。
与传统方法相比，激光诱导冲击波作用于多晶材料，使得材料表层晶粒细化至纳米级，且晶粒由表及里呈梯度分布，没有明显界面，这种纳米结构对提高材料的力学性能有重要作用，且不同于传统表面纳米化的形成机制。根本原因在于激光诱导产生GPa级的冲击波作用金属表面，并向内部传播，冲击波压力高达到数万个大气压，由表及里向材料内部传播，在材料内部的晶界、相界等界面处反射、透射和扰动等现象，引起材料的高应变率、反复塑性变形，其应变率比高能喷丸强化高出万倍，比爆炸高出百倍，材料对冲击波的动态响应在很短的时间内完成，使得构件表层材料的晶粒在瞬间动态纳米化。通过对激光诱导冲击波作用次数、功率密度和光斑搭接率等工艺参数的改变，可实现纳米晶的晶粒大小、厚度和分布的控制，使材料的综合性能进一步提高。

Claims (3)

1.一种多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在待加工材料表面制备0.01mm～0.1mm厚度的激光吸收层；
步骤2：采用流动水介质在待加工材料表面形成1mm～2mm厚的水约束层；
步骤3：调整激光与待加工材料表面的入射角0～60度，设定激光功率密度＞1GW/cm2，选择激光脉冲量级为飞秒、皮秒或纳秒；
步骤4：激光以5Hz以上的重复频率、50％以上的搭接率的方式对待加工材料表面进行2-6次冲击处理，在材料表层形成均匀的纳米晶。
2.根据权利要求1所述多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，其特征在于：所述激光吸收层采用在待加工材料表面涂覆黑漆得到。
3.根据权利要求1所述多晶体金属材料激光等离子体冲击波表面纳米化方法，其特征在于：所述激光吸收层采用在待加工材料表面粘贴胶带或铝箔得到。
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