CN102747215A - 脆性材料激光冲击强化实验装置 - Google Patents

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黄晨光
吴先前
王曦
魏延鹏
宋宏伟
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Abstract

本发明公开了一种脆性材料激光冲击强化实验装置，包括：箱体、温度控制单元、夹持单元、垫底层、吸收层、约束层、温度测试单元、激光冲击强化加载单元和PDV测量单元。本发明能够在预定的高温环境内对脆性材料进行激光冲击强化的实验，可以对脆性材料LSP过程中的工艺参数、靶体温度以及动态力学响应进行测量，为脆性材料LSP机理的研究提供了实验基础。

Description

脆性材料激光冲击强化实验装置
技术领域
本发明涉及一种激光冲击强化实验装置。
背景技术
激光冲击强化（Laser shock peening,LSP）是一种近年来迅速发展的主要针对金属材料的新型有效表面改性的方法。它利用短脉冲高功率密度的激光与金属材料表面相互作用诱导的高幅值冲击波，对材料冲击表面附近区域进行加工硬化，是金属材料表面发生塑性变形并在冲击区域附近形成高幅值的残余压应力，来提高材料的疲劳寿命、耐磨损和抗腐蚀等机械性能。
LSP处理可以大幅提高金属材料的机械性能。如果激光诱导的压力同样能够使脆性材料发生塑性变形并在表面产生残余压应力，则被处理的材料同样能够有效地抑制裂纹的萌生和扩展，提高脆性材料的机械性能。
通常，脆性在LSP诱导的压力作用下，由于位错活性比较小，难以发生塑性变形。但是脆性材料的位错活性是与应力状态和温度有关的。随着应力和温度的增加，位错活性会急剧上升。因此脆性材料是否可以采用LSP进行表面强化呢？为了对该问题进行研究，首先需要建立针对脆性材料的LSP实验装置和实验环境。目前还没有这方面的报道。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种脆性材料激光冲击强化实验装置，能够针对脆性材料的激光冲击强化提供实验环境，为脆性材料的LSP过程提供实验条件，同时也为不同温度下材料（包括脆性材料和金属材料）的LSP机理提供实验环境。
本发明的一种脆性材料激光冲击强化实验装置包括：箱体，具有预定大小的容积；
温度控制单元，用于将所述箱体内的温度加热并控制在预定的范围；
夹持单元，用于夹持待测脆性材料；
垫底层，用于支撑所述待测脆性材料；
吸收层，设置在所述待测脆性材料之上，用于吸收激光能量后发生熔化、气化以及电离，形成高温高压等离子体；
约束层，设置在所述吸收层之上，用于约束住所述等离子体的快速膨胀；
温度测试单元，用于测量所述待测脆性材料在接受激光冲击强化过程中的温度变化；
激光冲击强化加载单元，用于透过所述约束层对所述吸收层施加预定能量和脉宽的激光；
PDV测量单元，用于测量所述待测脆性材料在受到激光冲击强化的过程中的动态响应。
优选地，所述垫底层的材料为熔融石英玻璃。
优选地，所述吸收层的材料为铜膜，其面积超过激光作用靶体面积。
优选地，所述约束层的材料为水或者玻璃。
优选地，所述温度测试单元包括设置在所述约束层表面的第一热电偶和设置在所述垫底层上的第二热电偶。
本发明能够在预定的高温环境内对脆性材料进行激光冲击强化的实验，可以对脆性材料LSP过程中的工艺参数、靶体温度以及动态力学响应进行测量，为脆性材料LSP机理的研究提供了实验基础。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：箱体1、温度控制单元7、夹持单元2、垫底层4、吸收层5、约束层6、温度测试单元8、激光冲击强化加载单元9和PDV测量单元。
箱体1具有预定大小的容积，用于放置待测脆性材料3。
温度控制单元7用于将箱体1内的温度加热并控制在预定的范围，目的是为了在高温环境下使脆性材料3产生一定的塑形变形，以便于对脆性材料3施加冲击强化激光，而不至于将脆性材料3击碎。
夹持单元2用于夹持待测脆性材料3，垫底层4用于支撑待测脆性材料3，吸收层5设置在待测脆性材料3之上，用于吸收激光能量后发生熔化、气化以及电离，形成高温高压等离子体。约束层6设置在吸收层5之上，用于约束住等离子体的快速膨胀。
温度测试单元8用于测量待测脆性材料3在接受激光冲击强化过程中的温度变化。在本发明实施例中，温度测试单元8包括设置在约束层6表面的第一热电偶81和设置在垫底层4上的第二热电偶82。这样，就可以测出约束层6表面的温度T1和垫底层4的温度T2，从而可以通过各层材料的厚度估算出待测脆性材料3的温度T。
激光冲击强化加载单元9用于透过约束层6对吸收层5施加预定能量和脉宽的激光；PDV测量单元10用于测量待测脆性材料3在受到激光冲击强化的过程中的动态响应。
其中，在本发明实施例中，上述垫底层4的材料为熔融石英玻璃，上述吸收层5的材料为铜膜，其面积超过激光作用靶体面积，约束层6的材料为水或者玻璃。
在LSP过程中，约束层6、吸收层5以及待测脆性材料3被夹持单元2紧密夹持。激光经过激光冲击强化加载单元9的光路系统聚焦后透过约束层6材料辐照待测脆性材料3表面的吸收层3，诱导产生的等离子体压力对待测脆性材料3进行处理。
本发明能够在预定的高温环境内对脆性材料进行激光冲击强化的实验，可以对脆性材料LSP过程中的工艺参数、靶体温度以及动态力学响应进行测量，为脆性材料LSP机理的研究提供了实验基础。

Claims (5)

1.一种脆性材料激光冲击强化实验装置，其特征在于，包括：箱体，具有预定大小的容积；
温度控制单元，用于将所述箱体内的温度加热并控制在预定的范围；
夹持单元，用于夹持待测脆性材料；
垫底层，用于支撑所述待测脆性材料；
吸收层，设置在所述待测脆性材料之上，用于吸收激光能量后发生熔化、气化以及电离，形成高温高压等离子体；
约束层，设置在所述吸收层之上，用于约束住所述等离子体的快速膨胀；
温度测试单元，用于测量所述待测脆性材料在接受激光冲击强化过程中的温度变化；
激光冲击强化加载单元，用于透过所述约束层对所述吸收层施加预定能量和脉宽的激光；
PDV测量单元，用于测量所述待测脆性材料在受到激光冲击强化的过程中的动态响应。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述垫底层的材料为熔融石英玻璃。
3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述吸收层的材料为铜膜，其面积超过激光作用靶体面积。
4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述约束层的材料为水或者玻璃。
5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述温度测试单元包括设置在所述约束层表面的第一热电偶和设置在所述垫底层上的第二热电偶。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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