CN110560887A - 一种激光冲击成形叠层复合材料的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属叠层复合材料技术领域，尤其涉及一种激光冲击成形叠层复合材料的方法及其应用，该方法包括：将基材表面制备成具有高表面粗糙度的粗糙表面，清洗后备用；提高叠层材料表面光洁度，清洗后备用；在待叠层材料表面不与基材接触的表面制备吸收层和约束层材料，备用；采用激光冲击方法对基材表面装夹和覆盖了叠层材料的区域进行处理；激光冲击处理完全部叠层材料覆盖区域之后，清除剩余吸收层和约束层材料，并对得到叠层复合材料进行清洗处理，即得叠层复合材料。本发明基于脉冲激光诱导的力效应提出一种激光冲击成形叠层复合材料的方法，不仅具有叠层结合强度高等优点，而且加工流程简单，相对于传统的方法更加节能、高效。

Description

一种激光冲击成形叠层复合材料的方法及其应用

技术领域

本发明涉及金属叠层复合材料技术领域，尤其涉及一种激光冲击成形叠层复合材料的方法及其应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

为获得具备更优综合服役性能的材料，可将不同类型的完整的材料以叠层结构形式进行多层堆垛压合，通过这种方式制备的材料一般称为叠层复合材料。叠层复合材料的不同叠层可采用不同性能的金属或非金属材料，因此该类复合材料的不同区域呈现不同的机械或功能特性。目前，叠层复合材料通常由陶瓷或金属间化合物等强性层与金属或有机质韧性层交替层叠，并经一定的工艺加工而成，制备方法主要有热压法、轧制法、爆炸焊接法以及气相沉积法等。然而，在制备这类多组分、多结构的复杂层状材料的过程中，仍然存在环保质量低、加工效率低以及成形工艺复杂和制备成本偏高等问题。如何采取实用性更强和经济性更高的方法制备简易且功能性高的叠层复合材料是技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种激光冲击成形叠层复合材料的方法及其应用；本发明基于脉冲激光诱导的力效应提出一种激光冲击成形叠层复合材料的方法，具有加工流程简单高效、叠层结合强度高等优点。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种激光冲击成形叠层复合材料的方法，包括如下步骤：

将基材表面施行提高其粗糙度的工艺，以在基材表面获得具有高粗糙度的表面，完成后进行清洗，除去基材表面的杂质，备用。

在待叠层材料的不与基材接触的表面先涂覆吸收层；然后在吸收层上施加约束层材料，备用；若要材料表面形成脉冲激光冲击波，则材料表面设置能够接收脉冲激光光束且形成高温高压等离子体的材料，即吸收层材料；约束层的主要作用是限制脉冲激光冲击波的作用方向，使等离子体爆炸冲击波直接作用于待成形材料表面。

所述基材材料应比叠层材料具有更高的硬度或厚度；这样可以避免后续逐步叠层处理的过程中，后续叠层在冲击压力的作用下对前一层叠层的粗糙表面形成破坏影响。

采用激光冲击方法对基材表面装夹和覆盖了叠层材料的区域进行处理。

激光冲击处理完全部叠层材料覆盖区域之后，清除剩余吸收层和约束层材料，并对得到的叠层复合材料进行清洗处理，然后将其作为新的基材，采用激光冲击方法继续在叠层材料表面进行制备新的叠层，直至完成全部叠层材料的制备，即得。

最后，本发明公开所述激光冲击成形叠层复合材料的方法制备的产品在宇航、军事、化工、石油和机械等领域中的应用，如用于制备发动机叶片、机械齿轮等工业零部件。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明基于脉冲激光诱导的力效应提出一种激光冲击成形叠层复合材料的方法，不仅具有叠层结合强度高等优点，而且加工流程简单，相对于传统的方法更加节能、高效。

(2)采用本发明提出的叠层复合材料制备方法，可成形加工硬质基材表面的复合材料涂层，也可成形加工整体具有较低厚度的复合材料。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明激光冲击成形叠层复合材料时叠层与基材形成冲击压合的原理图。其中，1、2和X分别代表不同冲击区域所使用的对应脉冲激光光束。

图2是本发明实施例1中采用激光冲击方法所成形的块状材料表面复合材料的结构示意图。

图3是本发明实施例2中采用激光冲击方法所成形的整体片状叠层复合材料的结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，现有的金属叠层复合材料仍然存在环保质量低、加工效率低以及成形工艺复杂和制备成本偏高等问题。因此，本发明提出了一种激光冲击成形叠层复合材料的方法。

在一些典型的实施例中，所述基材和叠层材料均为金属材质。例如，基材为片状不锈钢，叠层材料为铜片、铝片等。

在一些典型的实施例中，通过机械研磨等方法提高基材表面的粗糙度；例如，用砂纸对基材的待叠层表面进行打磨，增加待叠层表面的表面粗糙度等。

在一些典型的实施例中，所述叠层材料具有光洁、洁净的表面；可选地，提高叠层材料表面光洁度的方法为电化学抛光，完成后进行清洗，即得。

在一些典型的实施例中，当叠层材料不小于两层时，如果叠层复合材料的不同叠层材料的硬度差低于相邻叠层材料平均硬度的10％，则要求基材的厚度大于叠层材料的厚度。

在一些典型的实施例中，采用超声清洗的方法对待加工材料进行清理，例如，对基材、叠层材料、新的基材的清洗等，需要说明的是，清洗步骤是必须的，以避免其他杂质进入叠层材料。

在一些典型的实施例中，所述吸收层材料为黑漆或黑胶带。

在一些典型的实施例中，所述约束层材料为K9玻璃或去离子水幕。若采用K9玻璃，需要将其机械按压在吸收层材料上，并避免K9玻璃与吸收层材料之间留存气泡；若采用去离子水幕，则需要通过控制水流流速，保持吸收层表面的水流平稳且厚度一致。

在一些典型的实施例中，所述激光冲击处理采用机械臂移动一下，激光冲击一下的方式进行，即逐点加工。

本发明提出的制备叠层复合材料的特点之一为：脉冲激光可导致材料表面发生等离子体爆炸，从而形成GPa量级的冲击压力。在激光冲击处理过程中，厚度较高的基材产生明显的表面塑性变形，而厚度较低的叠层材料形成显著的整体塑性变形。本发明提出将硬度较高或厚度较高的金属材料作为基材，在基材表面制备表面粗糙度较高的粗糙表面后，对覆盖在基材粗糙表面的低硬度或低厚度的叠层材料进行激光冲击处理，最终基材和叠层材料在冲击压力的作用下形成紧密贴合或焊合的状态。

本发明提出的制备叠层复合材料的特点之二为：本发明首先在基材表面制备出粗糙表面，为后续叠层材料中粗糙表面的出现提供模板，且由于厚度较低的叠层材料形成显著的整体塑性变形，从而使后面的叠层材料均能自然地在冲压的同时获得粗糙表面，继续作为下一叠层材料的具有粗糙表面的基材；而在在材料表面制备出粗糙表面，有利于基材和叠层材料之间的结合，增加结合力。

本发明提出的制备叠层复合材料的特点之三为：由于基材的硬度或厚度大于叠层材料，基材在激光冲击时会发生表面塑性变形，从而能够起到一定的缓冲作用，防止基材和叠层材料之间硬碰撞使结合力减弱。

现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

一种激光冲击成形叠层复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以厚度为5mm的304不锈钢作为基材；对该基材表面用150目砂纸进行研磨处理，获得表面粗糙度约为Ra1；然后对研磨处理后的基材进行超声清洗，清洗液为乙醇，室温条件下清洗5分钟，以去除基材表面的杂质等；完成后得到洁净的基材，备用。

(2)选择纯铜、纯铝箔材为叠层材料，两种箔材厚度均约为0.1mm，具有光洁表面，在叠合之前对这两种箔材进行超声清洗，清洗液为乙醇，室温条件下清洗30秒，以去除基材表面的杂质等，备用；由于基材不锈钢与叠层材料纯铜、纯铝具有依次递减的硬度，后续叠层材料在激光冲击处理过程中不会破坏前一步骤在基材/新基材表面制备出的粗糙表面。

(3)参考图1，将表面光洁的纯铜箔(即叠层材料)置于具有粗糙表面的不锈钢基材之上。激光冲击处理所使用的脉冲激光的参数为：波长1064nm、能量1.2J、脉宽16ns、直径为2mm的圆形光束。激光冲击处理之前，选择厚度约为0.5mm的黑漆为吸收层，选择厚度约为3mm的K9玻璃为约束层，并将吸收层和约束层材料涂覆于纯铜箔材的不与不锈钢基材接触的表面。涂覆涂层的具体方法为，先在待涂覆表面采用喷涂的方式制备黑漆吸收层，随后采用机械捆绑方式将K9玻璃置于已经固化的黑漆吸收层表面，并多次按压以排出K9玻璃与黑漆之间的气泡。然后从区域1开始，对纯铜箔材的不同位置(1、2......X)进行相同脉冲激光参数的激光冲击处理，获得纯铜箔材与不锈钢基材冲击压合的双层的叠层复合材料。

(4)对步骤(3)已获得的双层的叠层复合材料进行超声清洗处理，清洗液为乙醇，室温条件下清洗20秒，并将其作为新的基材，将表面光洁的纯铝箔材置于具有粗糙表面的所述新的基材之上，利用与步骤(3)相同的激光冲击处理工艺对纯铝箔材的不同位置进行激光冲击处理，最终获得纯铝、纯铜与不锈钢冲击压合的三层叠层复合材料，即不锈钢块状材料表面复合材料涂层，如图2所示。

实施例2

一种激光冲击成形叠层复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以厚度为0.5mm的TC4钛合金片材作为基材；对该基材表面用150目砂纸进行研磨处理，获得表面粗糙度约为Ra0.8；然后对研磨处理后的基材进行超声清洗，清洗液为乙醇，室温条件下清洗1分钟，备用。

(2)选择硬铝2A11片材、纯铝片材为叠层材料，硬铝2A11片材厚度约为0.2mm，纯铝片材厚度约为0.15mm，两种片材具有光洁表面，在叠合之前对这两种箔材行超声清洗，清洗液为乙醇，室温条件下清洗20秒，备用。

(3)参考图1，将表面光洁的硬铝2A11片材(即叠层材料)置于具有粗糙表面的TC4钛合金基材之上。激光冲击处理所使用的脉冲激光的参数为：波长1064nm、能量3.2J、脉宽16ns、直径为2mm的圆形光束。激光冲击处理之前，选择厚度约为0.5mm的黑漆为吸收层，选择厚度约为3mm的K9玻璃为约束层，并将吸收层和约束层材料涂覆于纯铜箔材的不与不锈钢基材接触的表面。然后从区域1开始，对纯铜箔材的不同位置(1、2......X)进行相同脉冲激光参数的激光冲击处理，获得硬铝2A11片材与TC4钛合金基材冲击压合的双层的叠层复合材料。

(4)对步骤(3)已获得的双层的叠层复合材料进行超声清洗处理，清洗液为乙醇，室温条件下清洗10秒，并将其作为新的基材，将表面光洁的纯铝片材置于具有粗糙表面的所述新的基材之上，利用与步骤(3)相同的激光冲击处理工艺对纯铝片材的不同位置进行激光冲击处理，最终获得纯铝、硬铝2A11与TC4钛合金冲击压合的三层叠层复合材料，即整体片状叠层复合材料，如图3所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将基材表面施行提高其粗糙度的工艺，完成后进行清洗，除去基材表面的杂质，备用；

在待叠层材料表面不与基材接触的表面先制备吸收层；然后在吸收层上制备约束层材料，备用；

所述基材材料应比叠层材料具有更高的硬度或厚度；

采用激光冲击方法对基材表面装夹和覆盖了叠层材料的区域进行处理；

激光冲击处理完全部叠层材料覆盖区域之后，清除剩余吸收层和约束层材料，并对得到叠层复合材料进行清洗处理，即得叠层复合材料。

2.如权利要求1所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，然后将其作为新的基材，采用激光冲击方法继续在叠层材料表面进行制备新的叠层材料，直至完成全部叠层材料的制备。

3.如权利要求1所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，当叠层材料不小于两层时，如果叠层复合材料的不同叠层材料的硬度差低于相邻叠层材料平均硬度的10％，则要求基材的厚度大于叠层材料的厚度。

4.如权利要求1所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，所述叠层材料具有光洁、洁净的表面；优选地，提高叠层材料表面光洁度的方法为电化学抛光，完成后进行清洗，即得。

5.如权利要求1-4任一项所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，所述基材和叠层材料均为金属材质；优选地，所述基材为片状不锈钢，叠层材料包括铜片、铝片。

6.如权利要求1-4任一项所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，通过机械研磨等方法提高基材表面的粗糙度；优选为用砂纸对基材的待叠层表面进行打磨；

优选地，采用超声清洗的方法对待加工材料进行清理。

7.如权利要求1-3任一项所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，所述吸收层材料为黑漆或黑胶带；优选地，所述约束层材料为K9玻璃或去离子水幕。

8.如权利要求7所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，所述K9玻璃作为吸收层的使用方法为：将其机械按压在吸收层材料上，并避免K9玻璃与吸收层材料之间留存气泡；

优选的；所述去离子水幕作为吸收层的使用方法为：通过控制水流流速，保持吸收层表面的水流平稳且厚度一致。

9.如权利要求1-3任一项所述的激光冲击成形叠层复合材料的方法，其特征在于，所述激光冲击处理采用机械臂移动一下，激光冲击一下的方式进行，即逐点加工。

10.如权利要求1-9任一项所述方法制备的叠层复合材料在宇航、军事、化工、石油和机械等领域中的应用，例如，用于制备发动机叶片、机械齿轮等工业零部件。