CN107267903A - 一种铝合金的超低温激光冲击强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金的超低温激光冲击强化方法，属于高性能铝合金技术领域。该方法是在合金试件表面覆盖吸收层后，再在吸收层上施加约束层约束激光冲击波增加冲击力；然后以脉宽为3‑40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5‑20J、重复频率为0.1‑10Hz、光束直径为0.5‑10mm的激光束进行预冲击处理，接着将通过热传导方式对工件进行降温处理，保证试样在‑130±2℃的深冷环境下，然后以激光束进行冲击处理；本发明方法处理的铝合金试件表面显微硬度可提高30％以上，拉伸性能提高20％以上，且工艺简单，强化效果显著、效率高、成本低、无污染。
Description
技术领域
本发明涉及高性能铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金超低温的激光冲击强化方法，强化后的铝合金主要适用于航空航天领域，适合做飞机、导弹和空间探测器等的结构材料。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。铝是面心立方结构，故具有很高的塑性易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好。添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。铝合金的强度与比重之比——“比强度”胜过很多合金钢，是理想的结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金的超低温激光冲击强化方法，该方法能够提高铝合金的拉伸性能，且操作简单，成本低，绿色无污染，强化效果显著。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种铝合金的超低温激光冲击强化方法，该方法是采用激光冲击强化技术对铝合金试件进行强化处理，该方法具体包括如下步骤：
(1)试件表面覆盖吸收层：在洁净间中，在铝合金试件的工作端面上覆盖厚度为80-150μm的吸收层；所述吸收层为黑漆、铝箔或黑胶带；
(2)施加约束层：将覆盖有吸收层的铝合金试件安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层；所述约束层为光学透光玻璃；
(3)激光预冲击处理：将铝合金试件工作端面朝向激光束，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-10J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击处理；预冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击1-2遍；
(4)激光冲击处理：预冲击处理后，将铝合金试件放入深冷箱中，在-125～-135℃的超低温环境下，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为1-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行冲击处理；冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击2-6遍；所述超低温环境的实现过程为：将铝合金试件放入深冷箱中，通过漏斗向深冷箱中不断补充液氮，同时保持铝合金试件底部与液氮接触，并使其保持在-125～-135℃。
该方法中，在铝合金试件表面覆盖吸收层之前，对试件工作端面进行预处理，预处理过程为：将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗8-10min；再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在100℃干燥10min。对铝合金试件工作端面预处理中清洗的目的是为保证工件上没有残留有机物质和前期试件切削留下的切屑；干燥的目的是为后续吸收层的粘贴或涂覆做准备，提高吸收层与铝合金试件表面的结合力。
该方法中，在对铝合金试样进行激光冲击处理后，对试样表面进行清洗，清洗过程为：首先去除试件工作端面涂覆的吸收层，然后将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗10-15min，再用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。
该方法中，步骤(2)进行预冲击处理时使用的激光能量为步骤(3)进行冲击处理时使用的激光能量的二分之一。
上述步骤(1)中，吸收层以粘贴或涂覆的方式覆盖于铝合金试件工作端面上，吸收层的厚度要求均匀，吸收层与试件表面之间无气泡。
上述步骤(2)中，施加的约束层是光学透光玻璃，要求玻璃能够透过波长532nm和1064nm的激光束，并要求玻璃与吸收层之间贴合紧密无缝隙。
本发明所述的洁净间为万级洁净间(又称为无尘室或清净室)，根据GB/T16292-1996，空气洁净度分级标准如表1：
表1 GB/T16292-1996中空气洁净度分级标准
为提高铝合金材料的力学性能，本发明提出超低温激光冲击强化技术。该超低温激光冲击强化技术是在远低于环境温度的条件下，利用短脉冲的高能量密度的激光辐照金属表面，金属表面的吸收层(黑漆、铝箔、黑胶带等)吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温、高压的等离子体，等离子体受到约束层(光学玻璃)的约束，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向金属内部传播，由于这种冲击波压力高达数个GPa，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面在低温环境发生强烈的塑性变形，引起晶格畸变、位错和晶粒细化，低温环境下产生的这一系列变化显著提高了金属表面的硬度和抗拉强度。针对铝合金材料，需要与之相适应的工艺过程并制定合适的各工艺参数，各工艺参数之间产生协同作用以获得高硬度、拉伸性能优异的铝合金试样。
本发明有益效果如下：
1、本发明方法在铝合金试件表面覆盖吸收层吸收激光能量防止激光灼伤金属材料表面；在试件表面吸收层上施加一层约束层约束激光冲击波增加冲击力；然后以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击处理，接着将铝合金试件放入不断补充液氮的深冷箱中，使其保持在-125～-135℃(优选为-130±2℃)，再以激光束进行超低温冲击处理；接着去除铝合金试件表面涂覆的吸收层；最后利用去离子水清洗后用干燥的氮气吹干。采用本发明的激光冲击强化方法，制定与铝合金相适应的工艺过程和各参数，使得铝合金试件表面显微硬度可提高30％以上(相比于未处理的试样)；
2、采用本发明激光冲击强化方法，可有效细化铝合金表面微观组织的晶粒，减少了拉伸断裂过程中的应力集中，抑制了裂纹的扩展；
3、采用本发明激光冲击强化方法，可使铝合金试件的拉伸性能(抗拉强度和屈服强度)提高20％以上(相比于未处理的试样)。
附图说明
图1是本发明铝合金试件进行激光冲击强化处理工艺流程图。
图2是本发明所使用的标准拉伸试件规格。
图3是本发明强化过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明为铝合金的超低温激光冲击强化方法，其工艺流程及强化过程如图1和图3所示。以下实施例所用铝合金试件包括常规试件和标准拉伸试件，其中：常规试件为正方形薄壁件(正方形板状件)，其厚度为2mm，两面均为平面，一个表面为工作端面，需进行抛光处理，另一个表面为非工作面，无需进行特殊处理，但要保证能与工作台紧密贴合，保证试件能快速传导热量。标准拉伸试件为条状件(其具体形状可按国标规定或根据试验机的具体结构而定)，实施例中标准拉伸试件厚度2mm(图2)，两面都需要抛光处理。
本发明所述的铝合金试件工作端面指经过抛光打磨后的光滑面。
本发明所述的黑漆、黑胶带对于532nm或1064nm的激光束不透明，当激光束辐照在黑漆、黑胶带表面时，黑漆、黑胶带能够吸收激光能量，产生高温高压的等离子体，并防止激光束灼伤铝合金试件表面。例如3M公司的3M471号胶带、3M425胶带，鹿头42m胶带，3M公司的4-1000铝箔胶带，大桥牌型号600的黑漆。
实施例1
试件材料：上海屹港实业有限公司生产的2024-T351铝合金加工成的试件；
将常规试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层黑胶带；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度2mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为12ns、波长为1064nm、激光能量为3J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在-130±2℃温度下，以脉宽为12ns、波长为1064nm、激光能量为6J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行超低温冲击处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对标准拉伸试件进行上述操作实施。
实施例2
试件材料：上海屹港实业有限公司生产的2024-T351铝合金加工成的试件；
将常规试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层铝箔；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度2.5mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为17ns、波长为1064nm、激光能量为4J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在-130±2℃温度下，以脉宽为17ns、波长为1064nm、激光能量为8J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行超低温冲击处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对标准拉伸试件进行上述操作实施。
实施例3
试件材料：上海屹港实业有限公司生产的2024-T351铝合金加工成的试件；
将常规试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层黑漆；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度3mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为20ns、波长为532nm、激光能量为5J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在-130±2℃温度下，以脉宽为20ns、波长为532nm、激光能量为10J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行超低温冲击处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对标准拉伸试件进行上述操作实施。
实施例4
将以上实施例1-3处理后的铝合金试件做显微硬度试验和拉伸试验。
显微硬度试验：采用FM-300型数字显微硬度仪测量试件激光冲击强化部位表面的显微硬度分布，设定载荷大小为0.2N，保荷时间为10s，每个样品测5个点，取平均值，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。
拉伸试验：用WDW-E200万能试验机对三组铝合金标准拉伸试件进行拉伸实验。每个实例测试5个标准拉伸试件，取平均值，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。
上述实施例1-3铝合金试件表面显微硬度、抗拉强度和屈服强度如表2所示。
表2激光冲击前后合金试件显微硬度及拉伸性能的对比
| 序号 | 显微硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) |
| 未冲击处理前 | 138 | 410 | 330 |
| 实施例1 | 185.3 | 535 | 468 |
| 实施例2 | 192.4 | 558 | 485 |
| 实施例3 | 198.5 | 570 | 518 |
实施例5
与实施例1不同之处在于：试件材料为7075-T7651和7055铝合金加工成的试件；经与实施例1同样的激光冲击强化处理后，7075-T7651和7055铝合金试件的显微硬度提高20-30％，拉伸性能提高20％以上。
由上述表2和实施例5的试验数据中可知，铝合金试件在采用本发明的激光冲击强化处理后，显微硬度得到了明显提高，拉伸性能也大幅提高。
Claims (7)
1.一种铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：该方法是采用激光冲击强化技术在超低温环境下对铝合金试件进行强化处理，该方法具体包括如下步骤：
(1)试件表面覆盖吸收层：在洁净间中，在铝合金试件的工作端面上覆盖厚度为80-150μm的吸收层；所述吸收层为黑漆、铝箔或黑胶带；
(2)施加约束层：将覆盖有吸收层的铝合金试件安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层；所述约束层为光学透光玻璃；
(3)激光预冲击处理：将铝合金试件工作端面朝向激光束，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-10J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击处理；预冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击1-2遍；
(4)激光冲击处理：预冲击处理后，将铝合金试件放入深冷箱中，在-125～-135℃的超低温环境下，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为1-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行冲击处理；冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击2-6遍。
2.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：所述超低温环境的实现过程为：预冲击处理后，将铝合金试件放入深冷箱中，通过漏斗向深冷箱中不断补充液氮，同时保持铝合金试件底部与液氮接触，并使其保持在-125～-135℃。
3.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：在铝合金试件表面覆盖吸收层之前，对试件工作端面进行预处理，预处理过程为：将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗8-10min；再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在100℃干燥10min。
4.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：在对铝合金试件进行激光冲击处理后，对试件表面进行清洗，清洗过程为：首先去除试件工作端面涂覆的吸收层，然后将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗10-15min，再用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。
5.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(2)进行预冲击处理时使用的激光能量为步骤(3)进行冲击处理时使用的激光能量的二分之一。
6.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，吸收层以粘贴或涂覆的方式覆盖于铝合金试件工作端面上，吸收层的厚度要求均匀，吸收层与试件表面之间无气泡。
7.根据权利要求1所述的铝合金的超低温激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(2)中，施加的约束层是光学透光玻璃，要求玻璃能够透过波长532nm和1064nm的激光束，并要求玻璃与吸收层之间贴合紧密无缝隙。
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