CN102212655A - 一种激光冲击方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击方法，其步骤为：A）提供激光冲击装置及真空离子镀膜机，所述激光冲击装置包括计算机控制系统、高功率激光器、自动喷水装置及工作台，所述工作台设有第一夹具，所述真空离子镀膜机设有第二夹具，B）对金属材料表面覆盖铝箔吸收层；C）由计算机控制系统控制自动喷水装置向铝箔吸收层表面喷水；D）接着由计算机控制系统控制工作台移动；E）由计算机控制系统控制高功率激光器向铝箔吸收层发出激光束；F）最后去除铝箔吸收层，将金属材料放入真空离子镀膜机内通过采用物理汽相沉积法在金属材料表面形成石墨涂层，通过采用上述激光冲击方法，可提高金属材料表面的强度和硬度，能够较有效地防止气蚀。

Description

一种激光冲击方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化领域，尤其涉及一种激光冲击方法。

背景技术

航空发动机供油系统铝合金涡壳由于气蚀使得材料表面强度下降。气蚀区表面有疲劳裂纹和冲蚀形貌，在气蚀和冲蚀两者的复合作用下，材料遭受损伤破坏。水电站在负荷工况下运行，也会出现气蚀困扰，在水轮机叶片上会出现空孔、缺口，脱落，破坏了水轮机的过流部件，机组同时产生大量的噪声和振动，水轮机的出力和效率降低。轴承在工作状况下表面会出现大面积不规则腐蚀的振动气蚀，由此气蚀也是内燃机曲轴轴承的重要损坏形式，开始为表面粗糙，累积损伤进而留下毛糙的边缘，可能破坏钢背，甚至是轴承座。自动阀也会出现气蚀故障，阻碍制氧站空分设备正常运行，产品质量下降。

请参阅中国专利第1107187号所揭示的一种不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮方法，该方法经在1000与1200℃之间温度下渗氮，使接近成品形状的不锈钢零件表面部分富集溶解氮。借此使表面部分的铁素体及马氏体组织成分转化成奥氏体，氮通过固溶强化使所形成的表面层强度得以提高，但是，该技术的缺点在于炉温和渗入材料难以把握，渗氮层会出现网状、波纹状、针状或鱼骨状氮化物，渗氮层深度浅、硬度不均匀有软点，表面硬度低，表层脆性大并容易起泡剥落或尖角剥落，渗氮后材料会畸变，渗层不致密抗蚀性差。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种可防止气蚀的激光冲击方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种激光冲击方法，其步骤为：A）提供激光冲击装置及真空离子镀膜机，所述激光冲击装置包括计算机控制系统、高功率激光器、自动喷水装置及工作台，所述工作台设有用于夹持工件的第一夹具，所述真空离子镀膜机设有用于夹持工件的第二夹具，所述高功率激光器、自动喷水装置和工作台由计算机控制系统控制；B）对清洗后的金属材料表面覆盖铝箔吸收层以增强对激光能量的吸收，将金属材料固定在工作台的第一夹具上，以使金属材料表面能与激光器发出的激光束相对；C）由计算机控制系统控制自动喷水装置向铝箔吸收层表面喷水，从而在铝箔吸收层表面形成水膜，作为激光冲击强化时的约束层；D）接着由计算机控制系统控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；E）由计算机控制系统控制高功率激光器向铝箔吸收层发出激光束，所述激光束穿过水膜而辐照于铝箔吸收层，从而在金属材料表面产生残余压应力层；F）最后将金属材料从工作台的第一夹具上拿下来，去除铝箔吸收层，接着将金属材料固定在真空离子镀膜机的第二夹具上，将石墨蒸发源放入真空离子镀膜机内通过采用物理汽相沉积法在金属材料表面形成石墨涂层。

本发明的有益效果：通过采用上述激光冲击方法冲击强化工件，可降低金属材料的孔隙率，提高金属材料表面的强度和硬度，改善了金属材料的抗腐蚀及抗疲劳性能，能够较有效地防止气蚀。

附图说明

图1为本发明中激光冲击装置的示意图。

图2为本发明中真空离子镀膜机的示意图。

图3为本发明中激光光斑冲击轨迹的示意图。

图4为本发明中金属材料处理后的结构示意图。

图1至图4中：1、激光冲击装置，10、计算机控制系统，11、高功率激光器，110、激光束，12、自动喷水装置，13、工作台，130、第一夹具，2、真空离子镀膜机， 20、第二夹具，3、金属材料，30、残余压应力层，4、铝箔吸收层，5、水膜，6、激光光斑冲击轨迹，7、石墨蒸发源，8、石墨涂层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但本发明不应仅限于实施例。

请参阅图1至图4，一种激光冲击方法，其步骤为：

A）提供激光冲击装置1及真空离子镀膜机2，所述激光冲击装置1包括计算机控制系统10、高功率激光器11、自动喷水装置12及工作台13，所述工作台13设有用于夹持工件的第一夹具130，在本实施方式中，所述工作台13为五轴联动工作台。所述真空离子镀膜机2设有用于夹持工件的第二夹具20，所述高功率激光器11、自动喷水装置12和工作台13由计算机控制系统10控制。

B）对清洗后的金属材料3表面覆盖铝箔吸收层4以增强对激光能量的吸收，所述铝箔吸收层4的厚度为0.1 毫米。所述铝箔吸收层4通过粘贴的方式覆盖金属材料3表面，接着将金属材料3竖直固定在工作台13的第一夹具130上，以使金属材料3表面能与高功率激光器11发出的激光束110相对，所述铝箔吸收层4的设置不仅可以增强金属材料3表面对激光束110的吸收，还可以防止金属材料3表面被烧蚀；

C）由计算机控制系统10控制自动喷水装置12向铝箔吸收层4表面喷水，从而在铝箔吸收层4表面形成厚度为1-2毫米水膜5，作为激光冲击强化时的约束层；

D）接着由计算机控制系统10控制工作台13按照设定的激光光斑冲击轨迹6来移动，所述激光光斑采用搭接形式，所述激光光斑冲击轨迹6呈“S”型设置，使得冲击后金属材料3表面结构更加严密紧凑；

E）由计算机控制系统10控制高功率激光器11向铝箔吸收层4发出激光束110，所述激光束110穿过水膜5而辐照于铝箔吸收层4，极短时间内引起铝箔的汽化，电离形成高温、高压等离子层并向外喷射，受水膜5的束缚，等离子体膨胀且压力升高，赋予金属材料3表面一冲击加载，约60-100 ns时间内产生强冲击波向金属材料3内部传播，并在金属材料3的塑性变形区产生残余压应力层30。残余压应力层30的层深比机械喷丸高出十倍，降低金属材料3孔隙率，提高了金属材料3表面的强度和硬度，极大地改善了抗腐蚀、抗疲劳性能等机械性能，达到了更好的冲击强化防气蚀的效果。由于在激光冲击处理过程中不需要添加其他材料，不会产生任何有毒物质，无材料消耗，污染小；

F）最后将金属材料3从工作台13的第一夹具130上拿下来，去除铝箔吸收层4，接着将金属材料3固定在真空离子镀膜机2的第二夹具20上，将石墨蒸发源7放入真空离子镀膜机2内通过采用物理汽相沉积法（所述物理气相沉积法是一种在真空条件下，将沉积物由固态转变为气相，并以颗粒形式蒸发，同时用辉光放电产生等离子，沉积或注入到基体上的方法）在金属材料3表面形成石墨涂层8。通过物理汽相沉积法获得的石墨涂层8能够提高润滑特性，更进一步提高了表面的硬度以及抗高温能力，增强了表面的接触疲劳性能。采用物理汽相沉积法不会改变材料的化学性能，更均匀地将石墨涂层8与金属材料3表面紧密结合。

本发明通过采用上述激光冲击方法冲击强化工件，可降低金属材料的孔隙率，提高金属材料表面的强度和硬度，改善了金属材料的抗腐蚀及抗疲劳性能，能够较有效地防止气蚀。

Claims (4)

1.一种激光冲击方法，其步骤为：

A）提供激光冲击装置及真空离子镀膜机，所述激光冲击装置包括计算机控制系统、高功率激光器、自动喷水装置及工作台，所述工作台设有用于夹持工件的第一夹具，所述真空离子镀膜机设有用于夹持工件的第二夹具，所述高功率激光器、自动喷水装置和工作台由计算机控制系统控制；

B）对清洗后的金属材料表面覆盖铝箔吸收层以增强对激光能量的吸收，将金属材料固定在工作台的第一夹具上，以使金属材料表面能与激光器发出的激光束相对；

C）由计算机控制系统控制自动喷水装置向铝箔吸收层表面喷水，从而在铝箔吸收层表面形成水膜，作为激光冲击强化时的约束层；

D）接着由计算机控制系统控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；

E）由计算机控制系统控制高功率激光器向铝箔吸收层发出激光束，所述激光束穿过水膜而辐照于铝箔吸收层，从而在金属材料表面产生残余压应力层；

F）最后将金属材料从工作台的第一夹具上拿下来，去除铝箔吸收层，接着将金属材料固定在真空离子镀膜机的第二夹具上，将石墨蒸发源放入真空离子镀膜机内通过采用物理汽相沉积法在金属材料表面形成石墨涂层。

2.如权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤B）中所述铝箔吸收层的厚度为0.1 毫米。

3.如权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤C）中的水膜的厚度为1-2毫米。

4.如权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤D）中的激光光斑采用搭接形式，光斑冲击轨迹呈“S”型设置。

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