CN103849757B - 一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置，所述装置包括盛装有工作液的容器、设于所述工作液中的载物台、安装于所述载物台上的基底材料、覆盖于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方设有用于通过激光束的透镜组，所述工作液中分布有微细磨粒。本发明还提供了采用上述装置强化金属表面的方法，其能量利用率较高，对于复杂局部区域，加工适应性较好。

Description

一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面强化装置及方法，具体涉及一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置及方法。

背景技术

金属材料的失效形式主要是始于材料表面的疲劳、腐蚀和磨损，所以材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。因此，国内外许多学者对各种金属表面强化技术及其应用进行了深入地研究，并取得了一定的进展，使得金属表面冲击强化方法在军工国防、航空航天、石油化工和海洋船舶等领域得到了广泛应用。

目前，金属表面强化技术主要包括喷丸、滚压、挤压、锻打等传统强化技术和近年来兴起的激光冲击强化技术（LSP）。传统冲击强化技术虽然对金属表面的抗疲劳、抗磨损等性能起到一定的作用，但是相对激光冲击强化技术而言，其适用范围和强化效果相对较差。因此，近年来对于金属表面强化技术的研究主要集中在激光冲击强化技术。

激光冲击强化是利用短脉冲（一般在50ns以内）、高功率密度（GW/cm2）的激光通过透明约束层，作用于金属工件12所涂覆或粘附的吸收涂层14上，吸收涂层14吸收强脉冲激光束16的激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体17，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。其原理如附图1所示。

该技术能大幅提高金属材料的使用寿命，具有无机械和热应力损伤、表面质量好、影响层深、可控性好和清洁环保等特点，大大地降低了零部件的维修成本，是目前应用广泛、极具潜力的金属表面强化技术。

目前，激光冲击强化技术所使用的激光设备是脉冲能量为焦耳级别的纳秒脉冲，设备的价格昂贵，而且由于激光系统工作于极限状态而使可靠性偏低。同时，激光冲击强化技术所使用的透明约束层15一般为光学玻璃或流水，光学玻璃无法满足形状比较复杂的局部冲击区域，其加工适应性相对较差，而流水由于刚性不足，对冲击波的约束效果较差，导致了激光冲击效果的弱化。另外一个比较值得注意的问题是该强化技术能量利用率只有50%左右、相对比较低，其主要原因是涂覆在金属表面的吸收层吸收激光能量最后形成的等离子体冲击波只有大约50%作用于工件表面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置；另外，本发明还提供采用所述装置进行金属表面强化的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案：一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置，所述装置包括盛装有工作液的容器、设于所述工作液中的载物台、安装于所述载物台上的基底材料、覆盖于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方设有用于通过激光束的透镜组，所述工作液中分布有微细磨粒。

所述微细磨粒为本领域的已知产品，本领域技术人员可根据需要，选择不同大小、形状等微细磨粒，可以直接购于市场。

激光诱导空化冲击强化技术是利用激光聚焦于工作液中，且焦点聚焦在金属材料表面上方。在激光焦点位置会形成空化泡，在内外压差的作用下，空化泡会逐渐生长，生长到一定程度时，将发生溃灭现象，溃灭过程会产生冲击波和指向金属材料表面的水射流。因此，可以在工作液中引入微细磨粒，利用冲击波和水射流推动微细磨粒冲击金属材料表面，由于其压强可以达到几百个兆帕甚至几个吉帕，材料表面将会获得很高的残余压应力，从而实现对金属材料表面的冲击强化。

激光束和透镜组组成光路系统，要求激光能量、脉冲频率、激光光斑大小和激光焦点位置可调，实现空化泡的大小和形成位置，冲击波、水射流的产生和强度可控，以便通过优化工艺有效控制金属材料表面的冲击强化效果。容器中盛放有工作液，激光聚焦到工作液中，诱导发生空化现象。容器中的工作液引入均匀分布的微细磨粒，利用空化过程产生的冲击波和水射流推动微细磨粒运动，对金属材料表面的进行冲击强化。同时，可以通过改变微细磨粒的类型（如大小、种类等）来优化强化效果。高透玻璃覆盖于工作液上方，有效地避免了激光在液面发生空化，减少了能量的损失，提高了能量的利用率。通过高透玻璃，激光能量更加有效地作用于金属材料的表面，同时也增加了空化过程产生冲击波和水射流的强度，加强了冲击强化的效果。

作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的优选实施方式，所述透镜组的上方设有用于发射激光束的激光器。作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的更优选实施方式，所述激光器为脉冲能量为微焦或毫焦的微秒脉冲激光器。所述激光器采用脉冲能量为微焦或毫焦的微秒脉冲激光器时，与现有技术中采用的焦耳级别的纳秒脉冲激光器相比，价格便宜很多，成本得到显著降低。

作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的优选实施方式，所述容器安装于三维精密移动平台上。作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的更优选实施方式，所述三维精密移动平台的X轴、Y轴和Z轴的最小分辨率均为0.1微米。金属材料安装于载物台上方，当整个容器安装于三维精密移动平台上，且三维精密移动平台x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米时，通过控制三维精密移动平台的运动，实现激光束在金属材料表面上的扫描，可以满足形状比较复杂的局部区域的冲击强化，加工适应性较好。

作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的优选实施方式，所述工作液为水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液优选但不限于水、甘油或水和甘油的混合液。可以通过改变工作液的类型（如水、甘油、水和甘油混合液等）来改变其性质（如粘性），进一步研究空化泡的动力学特性对金属表面冲击强化效果的影响，以便进一步提高金属材料的抗疲劳、抗磨损等机械性能。本领域技术人员可根据现有技术及实际情况，选择合适类型的液体作为工作液。

作为本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置的优选实施方式，所述微细磨粒在工作液中均匀分布。所述微细磨粒在工作液中均匀分布时，有利于对金属材料表面产生均匀的冲击强化作用。

另外，本发明还提供一种采用如上所述装置进行金属表面强化的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）将激光束通过透镜组和高透玻璃，在高透玻璃和金属材料之间的工作液中聚焦，焦点位置形成空化泡；

（2）在内外压力差的作用下，步骤（1）中形成的空化泡生长到一定程度，发生溃灭，溃灭过程中产生冲击波和指向金属材料表面的水射流；

（3）步骤（2）产生的冲击波和水射流推动工作液中的微细磨粒冲击金属材料表面，实现对金属材料表面的冲击强化。

上述所述方法是利用激光聚焦于工作液中，且焦点聚焦在金属材料表面上方。在激光焦点位置会形成空化泡，在内外压差的作用下，空化泡会逐渐生长，生长到一定程度时，将发生溃灭现象，溃灭过程会产生冲击波和指向金属材料表面的水射流。因此，可以在工作液中引入微细磨粒，利用冲击波和水射流推动微细磨粒冲击金属材料表面，由于其压强可以达到几百个兆帕甚至几个吉帕，材料表面将会获得很高的残余压应力，从而实现对金属材料表面的冲击强化。

作为本发明所述金属表面强化方法的优选实施方式，所述方法还包括以下步骤：（4）控制三维精密移动平台的运动，实现激光束在金属材料表面上的扫描，实现形状复杂的局部区域的冲击强化。由于金属材料安装于载物台上方，整个容器安装于三维精密移动平台上，三维精密移动平台x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。通过控制三维精密移动平台的运动，实现激光束在金属材料表面上的扫描，可以满足形状比较复杂的局部区域的冲击强化，加工适应性较好。

最后，本发明还提供一种采用如上所述方法强化后的金属材料。本发明所述金属材料，采用上述所述方法强化所得，弥补了现有技术的不足，提高了强化后所得金属材料的抗疲劳、抗磨损性能，而且对于用于复杂的局部区域的金属材料来说，具有较好的加工适应性。

本发明利用激光诱导空化技术所产生的冲击波和水射流对金属材料表面进行冲击强化，弥补现有技术的不足，提高金属的抗疲劳、抗磨损性能。

目前，应用比较广泛的金属表面强化技术是激光冲击强化技术，激光通过透明约束层作用于吸收层上，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体急剧升温膨胀后形成高强度冲击波作用于金属表面，实现强化效果，其具有非接触、无热影响区等、指向性好及强化效果显著等特点。

两者都是通过用激光能量来实现金属材料表面的冲击强化，不同的是激光强化冲击技术直接利用激光能量来实现金属材料表面的冲击强化，而激光诱导空化技术则是利用激光聚焦到工作液中诱导发生空化现象，通过空化泡的溃灭所产生的冲击波和水射流推动工作液中的磨粒冲击金属材料表面，实现金属材料表面的冲击强化。

本发明所述基于激光诱导空化的金属表面强化装置，结构简单，成本较低，能够有效用于金属材料的表面强化，所用激光器通常是脉冲能量为微焦（毫焦）的微秒脉冲激光器，其价格相对于焦耳级别的纳秒脉冲激光器便宜很多。本发明所述方法利用激光聚焦于水中，诱导产生空化现象，利用空化泡生长直至溃灭时产生的冲击波和水射流推动工作液中磨粒冲击金属材料表面，实现冲击强化。通过调节激光能量、脉冲频率、工作液和磨粒类型等工艺参数，可以有效地控制空泡的动力学行为，提高冲击波和水射流的冲击强度，从而能够大幅提高激光能量的利用率，能量利用率相对较高。本发明所述表面强化后的金属材料，具有较好的抗疲劳、抗磨损性能，而且对于用于复杂的局部区域的金属材料来说，具有较好的加工适应性。

附图说明

图1为现有技术中激光冲击强化原理示意图；

图2为本发明所述基于激光诱导空化的金属材料表面冲击强化装置使用过程的结构示意图；

图中：1为激光束，2为透镜组，3为空化泡，4为水射流，5为金属材料，6为容器，7为高透玻璃，8为工作液，9为载物台，10为三维精密移动平台，11为微细磨粒，12为工件，13为靶内传播的冲击波，14为吸收涂层（黑漆或铝漆），15为约束层（流水或玻璃），16为强脉冲激光束，17为高压等离子体。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置，如图2所示，所述装置包括盛装有工作液8的容器6、设于所述工作液8中的载物台9、安装于所述载物台9上的基底材料、覆盖于所述工作液8液面的高透玻璃7，所述高透玻璃7的上方设有用于通过激光束1的透镜组2，所述工作液8中分布有微细磨粒11。

激光束1和透镜组2组成光路系统，要求激光能量、脉冲频率、激光光斑大小和激光焦点位置可调，实现空化泡3的大小和形成位置，冲击波、水射流4的产生和强度可控，以便通过优化工艺有效控制金属材料5表面的冲击强化效果。容器6中盛放有工作液8，激光聚焦到工作液8中，诱导发生空化现象。容器6中的工作液8引入分布有微细磨粒11，利用空化过程产生的冲击波和水射流4推动微细磨粒11运动，对金属材料5表面的进行冲击强化。同时，可以通过改变微细磨粒11的类型（如大小、种类等）来优化强化效果。高透玻璃7覆盖于工作液8上方，有效地避免了激光在液面发生空化，减少了能量的损失，提高了能量的利用率。通过高透玻璃7，激光能量更加有效地作用于金属材料5的表面，同时也增加了空化过程产生冲击波和水射流4的强度，加强了冲击强化的效果。

较佳地，所述透镜组2的上方设有用于发射激光束1的激光器。所述激光器发射的激光束1的激光能量、脉冲频率、激光光斑大小和激光焦点位置可调，从而实现空化泡3的大小和形成位置，冲击波、水射流4的产生和强度可控，以便通过优化工艺有效控制金属材料5表面的冲击强化效果。

更佳地，所述激光器为脉冲能量为微焦或毫焦的微秒脉冲激光器。所述激光器采用脉冲能量为微焦或毫焦的微秒脉冲激光器时，与现有技术中采用的焦耳级别的纳秒脉冲激光器相比，价格便宜很多，成本得到显著降低。

较佳地，所述容器6安装于三维精密移动平台10上。金属材料5安装于载物台9上方，当整个容器6安装于三维精密移动平台10上时，通过控制三维精密移动平台10的运动，实现激光束1在金属材料5表面上的扫描，可以满足形状比较复杂的局部区域的冲击强化，加工适应性较好。

更佳地，所述三维精密移动平台10的X轴、Y轴和Z轴的最小分辨率均为0.1微米。当三维精密移动平台10的x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米时，三维精密移动平台10能够更加精密移动，更好地满足形状比较复杂的局部区域的冲击强化。

较佳地，所述工作液8为水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液8优选但不限于水、甘油或水和甘油的混合液。可以通过改变工作液8的类型（如水、甘油、水和甘油混合液等）来改变其性质（如粘性），进一步研究空化泡3的动力学特性对金属表面冲击强化效果的影响，以便进一步提高金属材料5的抗疲劳、抗磨损等机械性能。本领域技术人员可根据现有技术及实际情况，选择合适类型的液体作为工作液。

较佳地，所述微细磨粒11在工作液8中均匀分布。所述微细磨粒11在工作液8中均匀分布时，有利于对金属材料5表面产生均匀的冲击强化作用。

采用如上所述装置对金属材料5表面进行强化时，所述方法包括以下步骤：

（1）将激光束1通过透镜组2和高透玻璃7，在高透玻璃7和金属材料5之间的工作液8中聚焦，焦点位置形成空化泡3；

（2）在内外压力差的作用下，步骤（1）中形成的空化泡3生长到一定程度，发生溃灭，溃灭过程中产生冲击波和指向金属材料5表面的水射流4；

（3）步骤（2）产生的冲击波和水射流4推动工作液8中的微细磨粒11冲击金属材料5表面，实现对金属材料5表面的冲击强化。

上述所述方法是利用激光聚焦于工作液8中，且焦点聚焦在金属材料5表面上方。在激光焦点位置会形成空化泡3，在内外压差的作用下，空化泡3会逐渐生长，生长到一定程度时，将发生溃灭现象，溃灭过程会产生冲击波和指向金属材料5表面的水射流4。因此，可以在工作液8中引入微细磨粒11，利用冲击波和水射流4推动微细磨粒11冲击金属材料5表面，由于其压强可以达到几百个兆帕甚至几个吉帕，材料表面将会获得很高的残余压应力，从而实现对金属材料5表面的冲击强化。

较佳地，所述方法还包括以下步骤：（4）控制三维精密移动平台10的运动，实现激光束1在金属材料5表面上的扫描，实现形状复杂的局部区域的冲击强化。由于金属材料5安装于载物台9上方，整个容器6安装于三维精密移动平台10上，三维精密移动平台10的x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。通过控制三维精密移动平台10的运动，实现激光束1在金属材料5表面上的扫描，可以满足形状比较复杂的局部区域的冲击强化，加工适应性较好。

采用上述所述方法对表面强化后的金属材料，显著提高了金属材料的抗疲劳、抗磨损性能，而且对于用于复杂的局部区域的金属材料来说，具有较好的加工适应性。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于激光诱导空化的金属表面强化装置，其特征在于，所述装置包括盛装有工作液的容器、设于所述工作液中的载物台、安装于所述载物台上的基底材料、覆盖于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方设有用于通过激光束的透镜组，所述工作液中分布有微细磨粒，将激光束通过透镜组和高透玻璃，在高透玻璃和金属材料之间的工作液中聚焦，焦点位置形成空化泡；在内外压力差的作用下，形成的空化泡生长到一定程度，发生溃灭，溃灭过程中产生冲击波和指向金属材料表面的水射流；产生的冲击波和水射流推动工作液中的微细磨粒冲击金属材料表面，实现对金属材料表面的冲击强化；

所述透镜组的上方设有用于发射激光束的激光器；

所述容器安装于三维精密移动平台上。

2.如权利要求1所述的基于激光诱导空化的金属表面强化装置，其特征在于，所述激光器为脉冲能量为微焦或毫焦的微秒脉冲激光器。

3.如权利要求1所述的基于激光诱导空化的金属表面强化装置，其特征在于，所述三维精密移动平台的X轴、Y轴和Z轴的最小分辨率均为0.1微米。

4.如权利要求1所述的基于激光诱导空化的金属表面强化装置，其特征在于，所述工作液为水、甘油或水和甘油的混合液。

5.如权利要求1所述的基于激光诱导空化的金属表面强化装置，其特征在于，所述微细磨粒在工作液中均匀分布。

6.一种采用如权利要求1～5任一所述装置进行金属表面强化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将激光束通过透镜组和高透玻璃，在高透玻璃和金属材料之间的工作液中聚焦，焦点位置形成空化泡；

(2)在内外压力差的作用下，步骤(1)中形成的空化泡生长到一定程度，发生溃灭，溃灭过程中产生冲击波和指向金属材料表面的水射流；

(3)步骤(2)产生的冲击波和水射流推动工作液中的微细磨粒冲击金属材料表面，实现对金属材料表面的冲击强化。

7.如权利要求6所述金属表面强化方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：(4)控制三维精密移动平台的运动，实现激光束在金属材料表面上的扫描，实现形状复杂的局部区域的冲击强化。

8.一种采用如权利要求6或7所述方法强化后的金属材料。