CN110607432B - 一种激光冲击强化边界效应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光冲击强化边界效应控制方法。包括金属接触膜、吸收层、约束层和高能脉冲激光。工件与吸收层之间放置一层高强度、高弹性、高硬度的金属接触膜，金属接触膜的其中一个表面加工有按特定几何规律分布的微沟槽，该表面与工件待加工表面紧密接触。在激光冲击波作用下，未直接接触区域的材料(与微沟槽相对的材料)被挤进微沟槽。因而光斑边缘区域的隆起程度大幅降低，从而有效地控制了光斑的边界效应。此外，在高强激光冲击波作用下，工件表面将获得大深度高幅值的残余压应力。本发明可应用于提高金属零部件的疲劳性能。

Description

一种激光冲击强化边界效应控制方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，特指一种激光冲击强化边界效应控制方法。

背景技术

激光冲击波强化作为一种新型的材料表面强化技术，其原理是高功率密度激光作用于吸收层表面，诱导超强冲击波使表层金属产生剧烈塑性变形，形成高幅值大深度的残余压应力层，显著提高金属零件的疲劳性能。

在常规激光冲击强化中，一般采用圆形激光光斑进行。激光冲击强化是通过强冲击波对金属表面进行强化处理，从而会在激光光斑直接作用区域形成一个深度为几个微米的“凹陷”。当对大面积的区域进行激光冲击强化时，为使整个处理区域得到强化，相邻光斑之间必须要有一定的搭接量，而光斑的搭接会使光斑周围材料受到光斑内部材料的挤压会使边缘材料产生高度较大局部隆起(即所谓的光斑边界效应)。因此光斑直接作用区域的“凹陷”和光斑周围的“凸缘”相互交错，形成“二次凹陷”和“交叉点”等特征，从而使工件表面粗糙度大幅度上升，这在很大程度上抵消了由残余压应力引起的疲劳寿命的提高。

专利“一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法CN1040469A”，在激光冲击强化中工件表面覆盖一层高强度的光滑金属接触膜，发现刚性接触膜的使用可以在一定程度上降低相邻光斑的搭接效应，降低表面粗糙度，但无法完全避免由光斑搭接引起的边界效应。专利“一种接触膜带有微凹槽的激光冲击波抛光装置201710851510.3”，在金属接触膜的上表面开设有微凹槽，微凹槽使接触膜可以始终很好的贴合在工件表面，并且接触膜在激光光斑边缘部分具有足够的柔性,可以保证抛光区域表面粗糙度的一致性。同时，微凹槽的存在可以释放激光冲击波产生的残余压应力,防止接触膜在激光冲击波作用后产生反向变形。虽然该装置在降低工件表面粗糙度以及避免接触膜在冲击后产生反向变形取得了一定成效，然而光斑边界效应的问题始终没有得到很好的解决。

发明内容

本发明针对以上方法及装置的不足，提供一种激光冲击强化边界效应控制方法及装置，以此来控制由光斑搭接引起的边界效应。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种激光冲击强化边界效应控制方法，其特征在于，金属接触膜覆盖在金属工件表面上，吸收层覆盖在金属接触膜上，约束层覆盖在吸收层上，金属接触膜的其中一个表面加工有微沟槽，微沟槽将该表面分割成正六边形或者正方形微区域，该表面与工件的待处理表面接触，聚焦后的高能脉冲激光束透过约束层，辐照到吸收层表面，产生高压冲击波进行激光冲击强化，控制光斑的边界效应。

进一步的，所述约束层为对入射激光高透过率的液体或固体，为去离子水或光学玻璃，其厚度为1～2mm。

进一步的，所述吸收层为对入射激光强烈吸收的固体材料，即为黑色聚酯胶带或铝箔，其厚度为150μm～250μm。

进一步的，所述的金属接触膜为60Si2CrVA，属于高弹性金属材料，厚度为100～150μm，强度和硬度均高于金属工件的强度和硬度；采用Integra-C飞秒激光系统及微细电火花系统在金属接触膜表面加工微沟槽，微沟槽宽度为5～20μm，深度为10～15μm，之后对刻有微沟槽的表面进行抛光、去氧化层、超声清洗。

进一步的，所述的高能脉冲激光束的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为10⁹～10¹⁰GW/cm²，聚焦后光斑直径为2.5～4mm，高能脉冲激光产生的高压冲击波的峰值压力小于接触膜的动态屈服强度，且大于工件的雨贡纽极限HEL。

本发明的工作原理:高能脉冲激光透过约束层，跟吸收层相互作用，产生等离子体爆炸，等离子爆炸在约束层的约束作用下产生高压冲击波，利用激光诱导的冲击波使吸收层、金属接触膜和工件表面紧紧贴在一起。在激光冲击波作用下，工件与金属接触膜直接接触区域的材料受到光滑接触膜的碾压，产生向下的塑性变形且表面粗糙度大幅度降低。同时未直接接触区域的材料(与微沟槽相对的材料)被挤进微沟槽。特别在光斑边缘区域，由于微沟槽吸收了绝大部分的材料，因而光斑边缘的隆起程度大幅降低，因此能够有效控制光斑的边界效应。

与常规激光冲击强化中使用普通的金属接触膜技术相比，本发明的创新之处在于使用了带有几何规律分布的微沟槽的金属接触膜。而正是由于使用具有微沟槽的金属接触膜，使得常规冲击强化中可能作为裂纹源的无规则分布的“微凸缘”转变为经过两侧材料和微沟槽双重挤压强化且具有特定几何规律分布的“微凸缘”。在常规冲击强化中，微凸缘原本是是疲劳行为中的接触薄弱环节，但在本发明专利中，微凸缘经过双重挤压强化则更有利于阻碍疲劳裂纹的产生，因此工件疲劳寿命得到延长。

本发明的有益效果：

1.本发明消除了常规激光冲击强化由于光斑的边界效应和光斑搭接导致的复杂表面结构。同时在高强激光冲击波作用下，工件表面将获得大深度高幅值的残余压应力，极大提高了工件的疲劳性能；

2.通过改变金属接触膜表面的微沟槽形状、深度和排列方式，可以获得不同几何形状、高度、排列方式分布的微凸缘形貌，从而获得有利于疲劳性能的形貌；

3.本发明中的微凸缘，由于受到两侧材料和倒梯形微凹槽的双重挤压作用，加工硬化程度和晶粒细化程度较常规激光冲击强化更充分，有利于阻碍裂纹的萌生。

4.利用激光冲击波耦合效应，可以将常规激光冲击强化中由于光斑边界效应引起的无规则分布的“凹陷”与“凸起”转化为具有特定几何规律分布的“微凸缘”，从而实现了对光斑边界效应的主动控制。

附图说明

图1为激光冲击强化控制边界效应方法示意图。

图2为搭接状态下激光与工件材料的作用方式原理图。

图3为激光冲击强化控制边界效应最终形成的微凸缘二维，三维形貌图。

1高能脉冲激光；2约束层；3吸收层；4金属接触膜；5高压冲击波；6微沟槽；7工件。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击强化边界效应控制方法及装置进行详细说明。

本发明的一种激光冲击强化边界效应控制方法，涉及高能脉冲激光束1、约束层2、吸收层3、金属接触膜4和工件7。金属接触膜4覆盖在金属工件7表面上，吸收层3覆盖在金属接触膜4上，约束层2覆盖在吸收层3上。聚焦后的高能脉冲激光束1透过约束层2，辐照到吸收层3表面，产生高压冲击波5。金属接触膜4的其中一个表面加工有按特定几何规律分布的微沟槽6，该表面与工件7的待处理表面接触。

实施实例

本实验在带六自由度机械手的Thales纳秒Gaia高功率激光冲击强化系统进行，高能脉冲激光1脉宽为10ns，聚焦后光斑直径为3mm；约束层2为厚度为1mm流动去离子水膜；吸收层3为黑色聚酯胶带，其厚度为200μm；具有正六边形微沟槽6(微沟槽宽度为5～20μm，深度为10～15μm)的金属接触膜4的材质为60Si2CrVA，其厚度为100μm，硬度为320HB，屈服强度为1.8GPa；工件7材质为Ti6Lv4v钛合金，工件表面打磨抛光，用丙酮，酒精清洗。

该方法处理后，经光学显微镜观察，在钛合金表面获得如图3所示的宽度为15μm，长度为100μm，高度为5.6μm正六边形微凸缘。光斑边缘未检测到明显的边界效应，微区内表面粗糙度由1.15μm下降到了0.67μm，工件表面残余压应力由-12MPa上升到-280MPa。采用同样的激光工艺参数，对工件进行常规激光冲击强化处理，即去除本发明的金属接触膜4，并进行了疲劳试验，结果表明，在1×10⁷循环次数下，未处理试样的疲劳强度为388MPa，常规激光冲击强化后试样的疲劳强度为422MPa，采用本发明强化试样的疲劳强度为516MPa。

Claims (3)

1.一种激光冲击强化边界效应控制方法，其特征在于，金属接触膜覆盖在金属工件表面上，吸收层覆盖在金属接触膜上，约束层覆盖在吸收层上，金属接触膜的其中一个表面加工有微沟槽，微沟槽将该表面分割成正六边形或者正方形微区域，该表面与工件的待处理表面接触，聚焦后的高能脉冲激光束透过约束层，辐照到吸收层表面，产生高压冲击波进行激光冲击强化，控制光斑的边界效应；所述约束层为对入射激光高透过率的液体或固体，为去离子水或光学玻璃，其厚度为1~2mm；所述吸收层为对入射激光强烈吸收的固体材料，即为黑色聚酯胶带或铝箔，其厚度为150μm~250μm；所述的金属接触膜为60Si2CrVA，属于高弹性金属材料，厚度为100~150μm，强度和硬度均高于金属工件的强度和硬度。

2.如权利要求1所述的一种激光冲击强化边界效应控制方法，其特征在于，所述的金属接触膜采用Integra-C飞秒激光系统及微细电火花系统在金属接触膜表面加工微沟槽， 微沟槽宽度为5~20μm，深度为10~15μm，之后对刻有微沟槽的表面进行抛光、去氧化层、超声清洗。

3.如权利要求1所述的一种激光冲击强化边界效应控制方法，其特征在于，所述的高能脉冲激光束的脉宽范围为10~30ns，功率密度范围为109~1010GW/cm²，聚焦后光斑直径为2.5~4mm，高能脉冲激光产生的高压冲击波的峰值压力小于接触膜的动态屈服强度，且大于工件的雨贡纽极限HEL。

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