CN110760668A - 一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，使用超声换能器发出的超声振动波在金属表层诱导高频振动波，利用激光冲击波与超声振动波联合制备超细晶表层的金属材料。超声振动波诱发的高频振动波，会使原子点阵周期性密集与疏松，促使激光冲击波传播过程中位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，促进亚晶界以及大角度晶界的形成，有效增加激光喷丸诱导的动态再结晶行为，从而提高传统激光喷丸强化技术的晶粒细化能力，获得具备超细晶表层的金属材料，提高金属零件的疲劳强度与断裂韧性，同时该技术具有污染少、成本低、效率高等特点。

Description

一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其是激光表面强化领域，特指一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法。
背景技术
激光喷丸强化技术，通过脉冲激光诱导的高压冲击波使金属材料表面产生塑性变形，诱导形成位错墙、位错胞等位错结构，其中部分位错结构通过动态再结晶过程转变为亚晶或大角度晶界，使材料晶粒细化，这在抗疲劳制造领域得到了广泛应用。例如专利号为ZL201610695635.7的中国发明专利提出一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法，采用激光冲击强化对金属工件表面按照设计的轨迹进行冲击，能够在金属工件表层形成特定的粗细相间分布的晶粒，实现在表面和深度方向的晶粒混合分布。但是，激光冲击强化技术中的晶粒细化程度主要与动态再结晶过程有关，而动态再结晶程度与位错胞、位错墙等微观组织转变为亚晶界或大角度晶界的能力密切相关。因此，传统激光冲击强化技术具有动态再结晶程度低、晶粒细化程度低等缺点。
申请号为CN201810335784.1的中国专利申请，提出一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，利用激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，在振动时效处理辅助下进行激光搭接冲击强化处理，使其表面产生更严重的塑性变形，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，并使表层晶粒得到进一步细化，实现金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，该技术有以下几点不足：(1)该方法在激光喷丸的同时，利用激振器对整个试样施加振动，不利于实现大型零件的局部强化；(2)该方法需要利用高功率激振器实现振动时效，能量利用效率较低；(3)该方法无法实现振动波与激光冲击波耦合，晶粒细化程度较低。
超声波技术成熟且价格低廉，在激光加工技术中得到了广泛应用。申请号为CN201810290661.0的中国发明专利申请公开了一种超声辅助激光点焊装置及方法，将高频超声能量引入焊接中，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。申请号为CN201711057771.4的中国发明专利公开了一种双超声辅助激光增材制造装置，使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用，以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化，实现对合金组织和力学性能的有效调控。上述方法利用超声振动对激光诱导的熔池进行搅拌/冲击，实现组织细化，但具有以下缺点：(1)激光熔融过程中组织缺陷较多，例如气孔、裂纹等；(2)激光熔融后材料表层出现残余拉应力，不利于疲劳强度的提高。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提出一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，利用超声在材料内部诱导的振动波与激光诱导的冲击波相互作用，促进动态再结晶过程，制备超细晶表层的金属材料，大幅提高金属零件的疲劳强度与断裂韧性。可以克服现有技术的缺陷，在不改变芯部材料性能的基础上，实现材料表层的晶粒细化，且效率高、成本低。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于，使用超声换能器发出的超声振动波在金属表层诱导高频振动波，高频振动波使原子点阵在振动波传播路径上出现周期性的原子密集区域与疏松区域；然后再加载激光冲击波进行激光喷丸，在原子密集区域，超声振动波增加了材料势能，促使激光喷丸过程中激光冲击波诱导产生更高的位错密度；在原子疏松区域，超声振动波使原子间距增加、原子运动加剧，促使激光喷丸诱导的位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，形成亚晶界以及大角度晶界，促进材料的动态再结晶行为，利用激光冲击波与超声振动波联合并获得超细晶表层的金属材料。
进一步地，超声换能器与金属表面直接或间接接触。
进一步地，超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角α满足0～15°。
进一步地，当超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角难以满足0～15°且待处理工件厚度小于3mm时，超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角α为165～180°。
进一步地，超声加载的起始时间比激光加载的起始时刻提前时间Δt，且Δt与超声振动波和激光冲击波传播方向之间的夹角α有关；
当超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角α满足0～15°时：
Figure BDA0002225536190000021
当超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角α满足165～180°时：
Figure BDA0002225536190000022
z为激光喷丸金属零件的厚度，v1为激光诱导冲击波的传播速度，v2为超声诱导振动波的传播速度，α为超声振动波与激光冲击波传播方向之间的夹角。
进一步地，超声振动波参数需满足超声频率高于20kHz，振动幅值1～10μm。
进一步地，激光参数需满足激光脉冲能量3～10J，脉冲宽度15～25ns，搭接率50～75％，覆盖率200％，脉冲频率1～5Hz。
进一步地，在所述激光喷丸处理中，采用流水作为约束层，采用黑胶带作为吸收层。
进一步地，所述激光喷丸处理的待处理工件为铝合金、钛合金、镍基合金或模具钢零件。
本发明所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其加工原理为：由超声换能器诱发的高频振动波诱导原子点阵周期性密集与疏松，即高频振动波传播路径上出现周期性的原子密集区域与疏松区域；在原子密集区域，振动波增加了材料势能，这有利于激光喷丸过程中位错的形成，因此超声振动波可以使激光冲击波诱导产生更高的位错密度；在原子疏松区域，高频振动波使原子间距增加且运动加剧，促使激光喷丸诱导的位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，形成亚晶界以及大角度晶界，促进材料的动态再结晶行为进而获得超细晶组织。
本发明所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，适用于铝合金、钛合金、镍基合金以及模具钢零件。其技术优势在于：
1.通过超声诱导的高频振动波，一方面增加激光冲击波传播过程中的位错密度，另一方面促进位错墙、位错胞转换为亚晶界或大角度晶界，有效降低材料表层的晶粒尺寸。
2.该方法中超声振动波与激光冲击波对零件芯部材料性能影响较小，不会造成芯部材料性能下降。
3.材料表层不会产生气孔、裂纹、残余拉应力等缺陷，有利于疲劳强度的增加。
4.超声与激光参数精确可控，易于操作与实现自动化，效率高、成本低廉且绿色环保。
附图说明
图1为本发明所述获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法示意图。
图2为本发明所述获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法的原理图。
图3为本发明所述超声振动波与激光冲击波传播方向夹角α的示意图。
其中，1.激光，2.超声换能器，3.流水，4.黑胶带，5.金属，6.高频振动波，7.激光冲击波，8.高温等离子体。
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。
本发明所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，如图1所示，使用超声换能器2发出的超声振动波在金属5表层诱导高频振动波6，然后再加载激光1进行激光喷丸，激光1在金属表面激发形成高温等离子体8，形成激光冲击波7，利用激光冲击波7与超声振动波联合制备超细晶表层的金属材料。在此过程中，由超声换能器2诱发的高频振动波6诱导原子点阵周期性密集与疏松，即高频振动波6传播路径上出现周期性的原子密集区域与疏松区域，如图2所示。在原子密集区域，振动波增加了材料势能，这有利于激光喷丸过程中位错的形成，因此超声振动波可以使激光冲击波7诱导产生更高的位错密度；在原子疏松区域，高频振动波6使原子间距增加且运动加剧，促使激光喷丸诱导的位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，形成亚晶界以及大角度晶界，促进材料的动态再结晶行为进而获得超细晶组织；大幅提高金属零件的疲劳强度与断裂韧性。
在具体实施过程中，超声换能器2与金属5表面直接或间接接触。如图3所示，超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角α满足0～15°。当超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角α难以满足0～15°且待处理工件厚度小于3mm时，超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角α为165～180°。该激光喷丸处理适用于铝合金、钛合金、镍基合金或模具钢的金属零件。
根据本发明的超声辅助激光喷丸的工作原理，超声振动波加载的起始时间比激光1加载的起始时间提前时间Δt。在超声振动波加载后，在材料表层形成周期性的疏部和密部，然后加载激光1，激光冲击波7经过疏部和密部会产生不同的效应，促进材料的动态再结晶行为。
超声加载的起始时间比激光1加载的起始时刻提前时间Δt与超声振动波和激光冲击波7传播方向之间的夹角α有关。
当超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角α满足0～15°时：
Figure BDA0002225536190000041
当超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角α满足165～180°时：
z为激光喷丸金属5零件的厚度，v1为激光诱导冲击波的传播速度，v2为超声诱导振动波的传播速度，α为超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角。
超声振动波参数需满足超声频率高于20kHz，振动幅值1～10μm；激光1参数需满足激光1脉冲能量3～10J，脉冲宽度15～25ns，搭接率50～75％，覆盖率200％，脉冲频率1～5Hz。
实施例1
以厚度为2mm的2024-T351铝合金板材为例，采用本发明所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法对材料表层进行强化处理，利用激光冲击波7与超声振动波联合制备超细晶表层材料。
激光喷丸过程中，采用流水3作为约束层，采用黑胶带4作为吸收层。超声加载的起始时间比激光加载的起始时刻提前时间15分钟，超声振动波与激光冲击波7传播方向之间的夹角为180°，即从板材背面施加超声振动。超声频率为25kHz，振动幅值2μm。激光脉冲能量5J，脉冲宽度15ns，搭接率50％，覆盖率200％，脉冲频率1Hz。
经打磨、抛光、金相腐蚀后使用SEM观测材料表层的金相组织。经测量，超声辅助激光1喷丸后2024-T351铝合金表层平均晶粒尺寸较传统激光喷丸降低了15％以上，说明本发明方法可有效降低金属材料晶粒尺寸，获得超细晶表层。
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)

1.一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：使用超声换能器(2)发出的超声振动波在金属(5)表层诱导高频振动波(6)，高频振动波(6)使原子点阵在振动波传播路径上出现周期性的原子密集区域与疏松区域；然后再加载激光(1)进行激光喷丸，在原子密集区域，超声振动波增加了材料势能，促使激光喷丸过程中激光冲击波(7)诱导产生更高的位错密度；在原子疏松区域，超声振动波使原子间距增加、原子运动加剧，促使激光喷丸诱导的位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，形成亚晶界以及大角度晶界，促进材料的动态再结晶行为，利用激光冲击波(7)与超声振动波联合并获得超细晶表层的金属材料。
2.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：超声换能器(2)与金属(5)表面直接或间接接触。
3.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角α满足0～15°。
4.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：当超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角难以满足0～15°且待处理工件厚度小于3mm时，超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角α为165～180°。
5.根据权利要求3所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：当超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角满足0～15°时，超声振动波加载的起始时间比激光(1)加载的起始时刻提前时间Δt为：
Figure FDA0002225536180000011
其中，z为激光喷丸金属(5)零件的厚度，v1为激光诱导冲击波的传播速度，v2为超声诱导振动波的传播速度，α为超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角。
6.根据权利要求4所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：当超声振动波与激光冲击波(7)传播方向之间的夹角满足165～180°时，超声振动波加载的起始时间比激光(1)加载的起始时刻提前时间Δt为：
Figure FDA0002225536180000012
7.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：超声振动波参数为：超声频率高于20kHz，振动幅值1～10μm。
8.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：激光参数为：激光脉冲能量3～10J，脉冲宽度15～25ns，搭接率50％～75％，覆盖率200％，脉冲频率1～5Hz。
9.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：在所述激光喷丸处理中，采用流水(3)作为约束层，采用黑胶带(4)作为吸收层。
10.根据权利要求1所述的获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，其特征在于：所述激光喷丸处理的金属材料为铝合金、钛合金、镍基合金或模具钢零件。
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Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Meng Xiankai

Inventor after: Zhao Yaomin

Inventor after: Guo Weicheng

Inventor after: Zhou Jianzhong

Inventor after: Xu Xiaojing

Inventor after: Huang Shu

Inventor after: Wu Zhongjun

Inventor after: Sheng Jie

Inventor after: Li Jing

Inventor before: Meng Xiankai

Inventor before: Zhao Yaomin

Inventor before: Zhou Jianzhong

Inventor before: Xu Xiaojing

Inventor before: Huang Shu

Inventor before: Sheng Jie

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CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200207

Assignee: Zhenjiang Hualei Optoelectronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University

Contract record no.: X2023990000756

Denomination of invention: A Ultrasonic Assisted Laser Peening Method for Obtaining Superfine Grain Surface

Granted publication date: 20220111

License type: Common License

Record date: 20230811

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract