CN107502733B - 一种温度可控式深冷激光喷丸方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度可控式深冷激光喷丸方法与装置，经过深冷激光冲击强化提高钛合金材料的机械性能和疲劳性能。将试样置于恒定低温容器下，将高压氮气瓶中的氮气经减压阀充入盛有液氮的杜瓦瓶，降温后导入恒温容器中，使容器内温度处于低温状态。避免了液氮和试样的直接接触而导致的透光不足问题，使得样品在低温环境下进行激光冲击强化处理。通过调节减压阀来改变氮气的压力和出口流速，控制容器内环境温度T值的大小。同时加工过程中通过电磁辅助制冷控制使得喷丸材料能在不同温度下维持长时间激光冲击强化处理从而提高了材料的机械性能和疲劳性能。通过磁制冷辅助控温最终使温度范围控制在82K～253K。

Description

一种温度可控式深冷激光喷丸方法与装置

技术领域

本本发明涉及低温环境下的激光冲击强化领域，涉及低温环境下激光冲击强化试样的方法和装置，即温度可控式大面积深冷激光喷丸方法与装置。

背景技术

钛合金因其比强度高、力学性能好和耐腐蚀性强的特定在航空领域应用的越来越广泛，钛合金结构件工作服役环境温度变化很大，传统的表面处理工艺已经无法满足钛合金结构件的强化要求。深冷激光冲击强化(Cryogenic Laser Peening,CLP)技术是一种新型材料金属表面改性的加工技术，其将超高应变率(10⁷s^-1量级)和超低温(-130℃～-196℃液氮温度)共同耦合作用提高材料表面性能，通过产生高密度的形变孪晶以及堆垛层错，来获得更稳定的显微强化组织及更高的表面硬度。Liao等对Ni-Ti合金在低温环境下进行了激光冲击处理(Laser Peening,LP)发现在低温加工环境下将导致高体积分数形变马氏体，深冷激光冲击将增加化学驱动力和马氏体成核密度。Ye等对铜材料进行了深冷激光冲击强化研究，发现铜在CLP处理后因深冷温度的效果观察到高密度位错，CLP导致更高的储存能量以及良好的热稳定性和更高的材料强度。Brown研究了不同温度(室温和液氮温度)与应变率对无氧高导电性铜形变的影响，发现高应变率(10³s^-1)和深冷温度的双重作用诱导形成形变孪晶，从而对纳米结构的稳定性起重要作用。由此可见，与常规的大塑性形变强化工艺相比，LP技术的应变率高达10⁷s^-1量级，在深冷环境下进行LP强化，可充分利用深冷处理和高应变率形变强化的叠加效应，更好地诱导高密度位错和纳米孪晶的形成，有望获得具有一定阻尼性能的高强度抗振表层材料，从而有效提高结构零件的振动疲劳性能。但是目前针对钛合金航空工件的抗振性能的研究主要集中在提高零件的结构抗振性，而从材料自身抗振性能角度提高材料振动阻尼的研究相对较少。对于深冷激光冲击强化的方法和装置，专利号为CN 102492805 B的发明专利提出了一种直接将工件放入到液氮中进而激光冲击强化金属材料的方法，但这存在着一系列问题。在激光冲击试验时，当玻璃作为约束层时，液氮沸点较低极易吸热变为雾状，导致激光冲击过程中透光率低的问题，很难保证激光光束能量大小，进而导致试验结果的不理想状态。专利号为CN 105063284 A的发明专利提出了一种适用于深冷激光冲击技术的高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统。但该装置只是在液氮温度下进行激光冲击强化加工，无法实现在不同温度环境下的控制。专利号CN106119518A发明专利提出采用水作为约束层，但由于钛合金材料动态屈服强度较铝合金、不锈钢、黄铜大。采用水约束层其冲击效果不明显。由于BK7阻抗较大，选用BK7作为约束层。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现使用激光喷丸在不同低温环境下提高航空钛合金材料抗振性能的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钛合金材料，提供了一种从自身的抗振性能出发，采用激光喷丸结合低温的工艺方法提高材料在振动过程中抵抗裂纹萌生与裂纹扩展的能力，以在现有技术的基础上显著提高航空钛合金工件的抗振性能；并提供相应的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种温度可控式深冷激光喷丸装置，其特征在于，包括恒温容器、激光器、计算机控制系统、低温控制装置、磁制冷装置、激光引导光路装置，恒温容器固定在五轴工作台上，密封盖可拆卸的装在恒温容器开口端，所述密封盖上设有激光入口、氮气入口、氮气出口；

所述激光引导光路装置，由端盖、夹紧压块、高透光玻璃组成，所述高透光玻璃位于端盖的透光孔内、且由夹紧压块固定；所述端盖通过螺钉固定在密封盖上，并且端盖的透光孔与密封盖上的激光入口相对应；

低温控制装置包括高压氮气瓶、减压阀、与高压氮气瓶连通的盛有液氮的杜瓦瓶，以及固定于恒温容器内的超低温温度传感器，所述减压阀装在高压氮气瓶与杜瓦瓶之间；所述超低温温度传感器装置与计算机控制系统连接，用于实时测量容器内温度；杜瓦瓶通过氮气管道与所述密封盖上的氮气入口密封连接，所述氮气入口、氮气出口处均设有阀体；

所述的磁制冷装置包括静止式磁制冷装置和换热器，静止式磁制冷装置包括磁制冷工质、电磁线圈，电磁线圈安装于磁制冷工质两端，所述电磁线圈用来产生脉冲磁场，对磁制冷工质进行间歇励磁；电磁线圈通过电磁线圈控制单元与计算机控制系统相连；换热装置包括装在恒温容器内的冷却板和热端交换器，冷却板和热端交换器分别通过输送软管连接在磁制冷工质两端，且输送软管上均设置电磁阀、泵，输送软管内的冷却介质为液氦；电磁阀、泵均通过电磁阀控制器与计算机控制系统相连。

进一步地，所述输送软管采用紫铜管。

进一步地，高透光玻璃为BK7玻璃。

进一步地，恒温容器内壁上设有凹槽，冷却板安装在恒温容器凹槽中。

进一步地，工件夹具通过支架装在冷却板上，由TC4钛合金制成。

进一步地，所述超低温温度传感器装置为超低温HN110型系列温度传感器，位于工件的背面。

所述的深冷激光喷丸装置的深冷激光喷丸方法，其特征在于，

首先通过夹具将试样固定于恒温容器中的支架上，打开减压阀，所述高压氮气瓶中的氮气经减压阀充入盛有液氮的杜瓦瓶，降温后连续不断地导入恒温容器中，使恒温容器内的空气排净，初步实现容器的降温至T；关闭减压阀及氮气入口、氮气出口，密封恒温容器，使恒温容器内充满低温氮气；

开启电磁阀控制器来控制电磁线圈通电情况，通过电磁控制对冷却板进行降温从而使恒温容器继续降温到目标温度T_m；电磁线圈产生的脉冲磁场对磁制冷工质励磁时，磁制冷工质由于磁热特性温度会升高，此时，位于磁制冷工质与热端交换器之间的电磁阀、泵开通，通过热端交换器将磁制冷工质产生的热量带走；随后在退磁时，磁制冷工质的温度会降到比升磁前温度更低，此时，位于磁制冷工质与冷却板之间的电磁阀、泵开通，通过冷却板与磁制冷工质换热，使磁制冷工质的温度回升，同时将磁制冷工质产生的冷量传出，以实现恒温容器的制冷；上述换热过程直至超低温温度传感器检测的恒温容器中的温度达到目标温度T_m为止；

启动计算机控制系统控制激光器以及五轴工作台的运动轨迹，使激光器发出激光，激光束通过激光引导光路装置，对工件进行激光喷丸处理。

进一步地，恒温容器内激光喷丸的温度T_m能够控制在0℃～-190℃之间的任意温度。

进一步地，激光器发出的激光能量为6～9J，光斑直径为3mm,频率：10Hz，脉宽为20ns，搭接率为50％。

进一步地，通过调节减压阀来改变氮气的压力和氮气出口的流速，控制恒温容器内的初步环境温度T值的大小。

本发明所述的温度可控式深冷激光喷丸装置，恒温容器中以低温氮气为冷却介质，通过磁制冷装置进一步降低恒温容器中的温度，并实现低温激光喷丸温度的精确控制。一方面，冷却介质采用氮气作为冷却介质可以避免液氮和约束层玻璃直接接触发生热效应而破碎，流通氮气可以起到快速冷却恒温容器温度，避免液氮由于气化对恒温容器持续产生高压强。另一方面，采用电磁制冷装置来精确控制磁场强度从而实现不同温度下的激光喷丸，实现对不同温度下激光喷丸的工艺研究。水及液氮作为约束层都有不利影响，水在低温会结冰而液氮作为约束层又不稳定，同时由于BK7玻璃由于阻抗大可应用于钛合金材料。另外，恒稳容器底部有螺纹孔根据光路需要可以水平和竖直放置，不需要调整激光器光路方向，便于实验操作。装置结构简单，安全，易于操作，具有较高的工程应用价值。

同时，本发明所述的深冷激光喷丸方法具有以下优点：

(1)在低温环境下的钛合金材料的激光冲击强化处理，通过高应变率下的动态应变时效作用在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；在低温下能得到高密度位错与超细晶粒共存的微观组织，通过位错与晶界钉扎原理显著增加材料振动阻尼，从而提高材料的抗振性能。

(2)通过调节减压阀来改变氮气的压力和出口流速,即可控制容器内环境温度T值的大小。同时氮气将恒温容器中的水汽等气体排出，防止冷却过程中恒温容器中出现冰霜的出现。

(3)通过磁制冷装置控制实验所需设定温度，温度控制精确。

附图说明

图1是本发明的低温可控式激光冲击装置的结构示意图。

图中：

1.激光器，2.高压氮气瓶，3.减压阀，4.杜瓦瓶，5.氮气管道，6.氮气入口，7.密封盖，8.冷却板，9.工件夹具，10.试样，11.铝箔，12.端盖，13.夹紧压块，14.支架，15.BK7玻璃，16.螺钉，17.高透光玻璃，18.恒温容器，19.氮气出口，20.超低温温度传感器，21.锁紧螺钉，22.电磁线圈控制单元，23.计算机控制系统，24.热端交换器，25.电磁阀控制器，26.磁制冷工质，27.泵，28.输送软管，29.电磁阀，30.电磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述的温度可控式深冷激光喷丸装置的结构示意图，包括恒温容器18、激光器1、计算机控制系统23、低温控制装置、磁制冷装置、激光引导光路装置，恒温容器18固定在五轴工作台上，密封盖7可拆卸的装在恒温容器18开口端，所述密封盖7上设有激光入口、氮气入口6、氮气出口19。

光路引导装置通过螺钉和恒温容器的密封盖连接成一体。所述激光引导光路装置，由端盖12、夹紧压块13、高透光玻璃17组成，所述高透光玻璃17位于端盖12的透光孔内、且由夹紧压块13固定；所述端盖12通过螺钉16固定在密封盖7上，并且端盖12的透光孔与密封盖7上的激光入口相对应。高透光玻璃17采用BK7玻璃。

低温控制装置包括高压氮气瓶2、减压阀3、与高压氮气瓶2连通的盛有液氮的杜瓦瓶4，以及固定于恒温容器18内的超低温温度传感器20，所述减压阀3装在高压氮气瓶2与杜瓦瓶4之间；所述超低温温度传感器20与计算机控制系统23连接，用于实时测量容器内温度。超低温温度传感器采用超低温HN110型系列温度传感器，位于工件的背面杜瓦瓶4通过氮气管道与所述密封盖7上的氮气入口密封连接，所述氮气入口、氮气出口处均设有阀体。

所述的磁制冷装置包括静止式磁制冷装置和换热器，静止式磁制冷装置包括磁制冷工质26、电磁线圈30，电磁线圈30安装于磁制冷工质26两端，所述电磁线圈30用来产生脉冲磁场，对磁制冷工质26进行间歇励磁；电磁线圈30通过电磁线圈控制单元22与计算机23相连；换热装置包括装在恒温容器18内的冷却板8和热端交换器24，恒温容器18内壁上设有凹槽，冷却板8安装在恒温容器18凹槽中。工件夹具9通过支架14装在冷却板8上，述工件夹具9及支架14都选用TC4钛合金材料防止材料在低温环境的变形。冷却板8和热端交换器24分别通过紫铜材质的输送软管28连接在磁制冷工质26两端，且输送软管28上均设置电磁阀29、泵27，输送软管28内的冷却介质为液氦；电磁阀29、泵27均通过电磁阀控制器25与计算机控制系统23相连。

在进行深冷激光喷丸时，首先通过夹具9将试样10固定于恒温容器18中的支架14上。打开减压阀3，高压氮气瓶2中的氮气经减压阀3充入盛有液氮的杜瓦瓶4，氮气降温后连续不断地导入恒温容器18中，对恒温容器18进行快速排气冷却。通过调节减压阀3来改变氮气的压力和出口流速，控制容器18内环境温度的大小。最后关闭氮气出气口19和氮气进气口6，实现容器18的全密封性。

冲击过程中通过电磁控制对冷却板8进行降温从而使恒温容器18继续降温并保证在冲击实验过程中温度的精确控制。通过温度传感器20实时观察恒温容器温度，确保在设定温度下，进行激光喷丸，例如0℃、-40℃、-90℃、-140℃、-190℃。所述的电磁控制为静止式磁制冷装置，静止式磁制冷装置包括：磁制冷工质26和电磁线圈30，所述电磁线圈30用来产生脉冲磁场，对磁制冷工质26进行间歇励磁。磁制冷工质26由廉价的LaFeCoSi材料制成。换热装置其特征在于输送软管28采用紫铜，冷却介质选用液氦。将液氦分别通入冷却板和热端室中。

具体的，首先开启电磁阀控制器25来控制电磁线圈30通电情况，通过电磁控制对冷却板8进行降温从而使恒温容器18继续降温到目标温度T_m。电磁线圈30产生的脉冲磁场对磁制冷工质26励磁时，磁制冷工质26由于磁热特性温度会升高，此时，位于磁制冷工质26与热端交换器24之间的电磁阀29、泵27开通，通过热端交换器24将磁制冷工质26产生的热量带走；随后在退磁时，磁制冷工质26的温度会降到比升磁前温度更低，此时，位于磁制冷工质26与冷却板8之间的电磁阀29、泵27开通，通过冷却板8与磁制冷工质26换热，使磁制冷工质的温度回升，同时将磁制冷工质产生的冷量传出，以实现恒温容器的制冷；上述换热过程直至超低温温度传感器20检测的恒温容器18中的温度达到目标温度T_m为止。

当超低温温度传感器20测得的温度高于目标温度T_m时，静止式磁制冷装置的励去磁制冷轮回时间缩短，加强制冷；反之，延长静止式磁制冷装置的制冷轮回；以确保静止式磁制冷装置的工作寿命及低能耗，并使恒温容器温度保持在设定温度左右。恒温容器内温度控制范围在-190℃～0℃之间。恒温容器18成为设定温度环境下对TC6金属试样10表面进行的激光冲击强化处理恒温处理室，低温处理放入温度可以为设为0℃、-40℃、-90℃、-140℃、-190℃。

当温度稳定在T_m时，启动计算机系统控制Nd:YAG固体激光器以及五轴工作台的运动轨迹，使Nd:YAG固体激光器发出激光能量为6～9J，光斑直径为3mm,频率：10Hz，脉宽为20ns，搭接率为50％的激光束通过光学镜片到达约束层上，对金属试样材料进行长时激光激光喷丸处理。

通过高应变率下的动态应变时效作用在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；在低温下能得到高密度位错与超细晶粒共存的微观组织，通过位错与晶界钉扎原理显著增加材料阻尼，从而提高材料的抗振性能。

实施例1

以TC6钛合金为例，将所述试样放入低温容器18中，通过工件夹具9将TC6狗骨振动钛合金材料10固定安放在支撑架14上面，对所述喷丸区域进行激光冲击强化处理。启动计算机系统发出指令，控制Nd:YAG固体激光器1出光，使得激光束垂直照射到BK7玻璃15上，进行激光冲击强化处理，其中激光能量为9J，光斑直径为3mm，频率：10Hz，搭接率为50％，以铝箔作为吸收层11，以BK7玻璃为约束层15。经过相应的仪器检测到：显微硬度由300HV增加到400HV，疲劳寿命提高了15％。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温度可控式深冷激光喷丸装置，其特征在于，包括恒温容器(18)、激光器(1)、计算机控制系统(23)、低温控制装置、磁制冷装置、激光引导光路装置，恒温容器(18)固定在五轴工作台上，密封盖(7)可拆卸的装在恒温容器(18)开口端，所述密封盖(7)上设有激光入口、氮气入口(6)、氮气出口(19)；

所述激光引导光路装置，由端盖(12)、夹紧压块(13)、高透光玻璃(17)组成，所述高透光玻璃(17)位于端盖(12)的透光孔内、且由夹紧压块(13)固定；所述端盖(12)通过螺钉(16)固定在密封盖(7)上，并且端盖(12)的透光孔与密封盖(7)上的激光入口相对应；

低温控制装置包括高压氮气瓶(2)、减压阀(3)、与高压氮气瓶(2)连通的盛有液氮的杜瓦瓶(4)，以及固定于恒温容器(18)内的超低温温度传感器(20)，所述减压阀(3)装在高压氮气瓶(2)与杜瓦瓶(4)之间；所述超低温温度传感器(20)与计算机控制系统(23)连接，用于实时测量容器内温度；杜瓦瓶(4)通过氮气管道与所述密封盖(7)上的氮气入口密封连接，所述氮气入口、氮气出口处均设有阀体；

所述的磁制冷装置包括静止式磁制冷装置和换热器，静止式磁制冷装置包括磁制冷工质(26)、电磁线圈(30)，电磁线圈(30)安装于磁制冷工质(26)两端，所述电磁线圈(30)用来产生脉冲磁场，对磁制冷工质(26)进行间歇励磁；电磁线圈(30)通过电磁线圈控制单元(22)与计算机控制系统(23)相连；换热装置包括装在恒温容器(18)内的冷却板(8)和热端交换器(24)，冷却板(8)和热端交换器(24)分别通过输送软管(28)连接在磁制冷工质(26)两端，且输送软管(28)上均设置电磁阀(29)、泵(27)，输送软管(28)内的冷却介质为液氦；电磁阀(29)、泵(27)均通过电磁阀控制器(25)与计算机控制系统(23)相连。

2.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述输送软管(28)采用紫铜管。

3.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，高透光玻璃(17)为BK7玻璃。

4.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，恒温容器(18)内壁上设有凹槽，冷却板(8)安装在恒温容器(18)凹槽中。

5.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，工件夹具(9)通过支架(14)装在冷却板(8)上，由TC4钛合金制成。

6.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述超低温温度传感器装置为超低温HN110型系列温度传感器，位于工件的背面。

7.权利要求1所述的深冷激光喷丸装置的深冷激光喷丸方法，其特征在于，

首先通过夹具(9)将试样(10)固定于恒温容器(18)中的支架(14)上，打开减压阀(3)，所述高压氮气瓶(2)中的氮气经减压阀(3)充入盛有液氮的杜瓦瓶(4)，降温后连续不断地导入恒温容器(18)中，使恒温容器(18)内的空气排净，初步实现容器的降温至T；关闭减压阀(3)及氮气入口(6)、氮气出口(19)，密封恒温容器(18)，使恒温容器(18)内充满低温氮气；

开启电磁阀控制器(25)来控制电磁线圈(30)通电情况，通过电磁控制对冷却板(8)进行降温从而使恒温容器(18)继续降温到目标温度T_m；电磁线圈(30)产生的脉冲磁场对磁制冷工质(26)励磁时，磁制冷工质(26)由于磁热特性温度会升高，此时，位于磁制冷工质(26)与热端交换器热端交换器(24)之间的电磁阀(29)、泵(27)开通，通过热端交换器(24)将磁制冷工质(26)产生的热量带走；随后在退磁时，磁制冷工质(26)的温度会降到比升磁前温度更低，此时，位于磁制冷工质(26)与冷却板(8)之间的电磁阀(29)、泵(27)开通，通过冷却板(8)与磁制冷工质(26)换热，使磁制冷工质(26)的温度回升，同时将磁制冷工质(26)产生的冷量传出，以实现恒温容器的制冷；上述换热过程直至超低温温度传感器(20)检测的恒温容器(18)中的温度达到目标温度T_m为止；

启动计算机控制系统(23)控制激光器以及五轴工作台的运动轨迹，使激光器发出激光，激光束通过激光引导光路装置，对工件进行激光喷丸处理。

8.根据权利要求7所述的深冷激光喷丸方法，其特征在于，恒温容器(18)内激光喷丸的温度T_m能够控制在0℃～-190℃之间的任意温度。

9.根据权利要求7所述的深冷激光喷丸方法，其特征在于，激光器发出的激光能量为6～9J，光斑直径为3mm,频率：10Hz，脉宽为20ns，搭接率为50％。

10.根据权利要求7所述的深冷激光喷丸方法，其特征在于，通过调节减压阀(3)来改变氮气的压力和氮气出口(19)的流速，控制恒温容器(18)内的初步环境温度T值的大小。