CN112853086A - 一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置，属于金属材料强化技术领域。所述方法步骤如下：（a）对金属材料表面进行预处理；（b）确定试样最优的电脉冲处理工艺参数；（c）对试样进行，利用霍普金森压杆对试样进行测试，获得金属材料在电脉冲处理过程中的动态屈服强度；（d）求解金属材料的雨贡纽弹性极限，进一步获取试样的最优激光功率密度；（e）在电脉冲处理过程中，同时利用Nd:YAG固体激光器在最优的激光功率密度范围内对试样进行激光喷丸强化处理。本发明利用电脉冲引起的电致塑性变形和激光喷丸诱导的超高应变率塑性变形的耦合效应提高残余压应力的幅值和深度，获得更加优异的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料强化技术领域，具体涉及一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置。
背景技术
金属材料是人类文明的重要标志，在各行各业都获得了广泛的应用。但是在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的屈服强度，但经过长期的应力循环作用后，就会发生疲劳断裂，造成巨大的安全事故和经济损失。因此，如何提高金属材料结构件的综合机械性能具有重要的工程意义。
形变强化技术通过改变材料表层的微观组织和诱导高幅值残余压应力来抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，是延长结构件疲劳寿命最为有效的方法之一。其中，激光喷丸技术作为一种新型的表面形变强化工艺，因其工艺参数可控性好、强化效率高、被处理工件表面完整性好等突出特点，是在极端环境下机械制造的有效方法之一。但是，激光喷丸对金属材料塑性的增益效果不明显，在特殊情况下还会降低金属材料的塑性。另外，与传统的形变强化技术相类似，激光喷丸诱导的强化效应同样存在削弱现象，在高温环境以及循环载荷作用下，激光喷丸诱导的残余压应力会发生较快的松弛行为。
电脉冲作为一种新兴的强化技术，在现代金属材料制备与性能研究中得到广泛的应用。在金属凝固组织控制，金属的回复和再结晶，制备纳米材料，电致塑性加工，提高材料疲劳寿命等方面获得了广泛的重视。尤其是电脉冲诱导的电致塑性效应，将脉冲电流导通于材料表面，在材料内部形成电流或者电场，材料内部的电子在电流作用下发生运动，降低材料的变形抗力，材料的塑性明显提高的现象。但是，电脉冲处理诱导的残余压应力幅值较小，这不利于大幅提高金属材料的抗疲劳、耐腐蚀等机械性能的提高。
因此，如何开发出一种新型的强化方法和装置，既可以同时提高金属的强度和塑性，又能够诱导幅值大且影响层深的残余压应力，进而提升材料的综合力学性能，是机械领域亟需解决的技术难题之一。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置，利用脉冲电流引起的电致塑性变形和激光喷丸诱导的超高应变率塑性变形的耦合效应提高残余压应力的幅值和深度，获得更加优异的综合力学性能。
技术方案：一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，步骤如下：
步骤一.对金属材料表面进行打磨和抛光，最后在工业酒精溶液中进行超声波清洗后晾干备用；
步骤二.在不同工艺参数下，利用正负电极在预处理后的试样表面施加电流进行电脉冲处理；以试样的最大屈服强度和断裂延伸率为优化目标，利用响应面优化法确定试样最优的电脉冲处理工艺参数；
步骤三.在最优的工艺参数下，对试样进行电脉冲处理，同时利用霍普金森压杆对试样进行测试，获得金属材料的动态屈服强度
步骤四.根据
求解金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，其中：υ为金属材料的泊松比，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力；根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax，根据
确定激光功率密度I0，其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，Z为折合声阻抗，根据激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser、激光脉冲宽度τ以及激光光斑直径D的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数，π取3.14；
步骤五.将激光喷丸试样放置在支撑平台上，并将激光能量吸收层和约束层依次放置在试样的表面；在最优的电脉冲处理工艺参数下对试样进行电脉冲处理；随即开启Nd:YAG固体激光器，在最优的激光功率密度范围内对试样进行激光喷丸强化处理；
步骤六.激光喷丸强化处理后，切断电脉冲处理装置电源，关闭Nd:YAG固体激光器；然后取下试样，去除试样表面残留的吸收层和约束层，后续开展试样微观组织、残余应力以及机械性能的测试分析。
作为优选，所述金属材料为钛合金、铝合金、镍基合金、不锈钢。
作为优选，所述步骤二中电脉冲处理工艺参数为：脉冲频率为50～5000Hz、峰值电流为50～50000A、脉宽20～2000μs、脉冲时间为10～600s。
作为优选，所述步骤五中激光喷丸强化的工艺参数为：激光脉宽为20～50ns，激光功率密度为2.1～21GW/cm2，激光光斑直径为1～5mm，激光光斑搭接率为25％～75％，激光能量吸收层为80～120μm厚的铝箔，激光能量约束层为蓝宝石玻璃或者K9玻璃，激光喷丸次数为1～5次。
一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的装置，所述装置包括Nd:YAG激光器、反光镜、凸透镜、约束层、能量吸收层、试样、绝缘陶瓷涂层、支撑平台、五轴工作台、运动控制器、计算机系统、激光控制器、高功率脉冲电源和示波器，所述支撑平台放置于五轴工作台上表面，所述试样放置于支撑平台上，支撑平台与试样相接处设有绝缘陶瓷涂层，试样上表面依次叠加能量吸收层和约束层，所述高功率脉冲电源的正负极分别与试样表面连接，示波器的信号输入端与高功率脉冲电源的信号输出端连接，示波器的信号输出端与计算机系统连接，计算机系统分别与激光控制器、运动控制器和高功率脉冲电源的控制信号输入端连接，激光控制器的控制信号输出端与Nd:YAG激光器的信号输入端连接，凸透镜设于试样正上方，反光镜设于凸透镜的上方且其镜面能够反射Nd:YAG激光器发射的激光，反光镜用于将Nd:YAG激光器发射的激光透过凸透镜、约束层和能量吸收层垂直反射至试样上表面。
有益效果：本发明用脉冲电流引起的电致塑性变形和激光喷丸诱导的超高应变率塑性变形的耦合效应提高残余压应力的幅值和深度，获得更加优异的综合力学性能。与单一的激光喷丸相比，脉冲电流耦合激光喷丸试样的表面残余压应力幅值提高了12.6％，试样的抗拉强度和延伸率分别提高了7.5％和13.9％。
附图说明
图1是本发明的一种基于激光喷丸协同深冷处理优化组合强化方法的结构示意图。
图中，1.Nd:YAG激光器；2.反光镜；3.凸透镜；4.约束层；5.能量吸收层；6.试样；7.绝缘陶瓷涂层；8.支撑平台；9.五轴工作台；10.运动控制器；11.计算机系统；12.激光控制器；13.高功率脉冲电源；14.示波器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本说明书实施例中，Nd:YAG激光器的型号为SpitLight 2000脉冲Nd：YAG固态激光器；运动控制器为NSC-A1控制器；激光控制器为LDC-3726；高功率脉冲电源为DG-MKG型脉冲电源；示波器的型号为MTS-4000。
实施例1
一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，包括以下步骤:
(a)对金属材料表面进行打磨和抛光，最后在工业酒精溶液中进行超声波清洗后晾干备用；
(b)在不同工艺参数下，利用正负电极在预处理后的试样表面施加电流进行电脉冲处理；以试样的最大屈服强度和断裂延伸率为优化目标，利用响应面优化法确定试样最优的电脉冲处理工艺参数；其中，所述电脉冲处理工艺参数为：脉冲频率为50～5000Hz、峰值电流为50～50000A、脉宽20～2000μs、脉冲时间为10～600s；
(c)在最优的工艺参数下，对试样进行电脉冲处理，同时利用霍普金森压杆对试样进行测试，获得金属材料的动态屈服强度
GPa；
(d)根据
求解金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，GPa，其中：υ为金属材料的泊松比，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力，MPa；根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax，GPa，根据
确定激光功率密度I0，GW/cm2，其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，Z为折合声阻抗，g·cm-2·s-1；根据激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser，J、激光脉冲宽度τ，ns以及激光光斑直径D，mm的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数，π取3.14。
(e)将激光喷丸试样放置在支撑平台上，并将激光能量吸收层和约束层依次放置在试样的表面；在最优的电脉冲处理工艺参数下对试样进行电脉冲处理；随即开启Nd:YAG固体激光器，在最优的激光功率密度范围内对试样进行激光喷丸强化处理；其中，所述激光喷丸强化的工艺参数为：激光脉宽为20～50ns，激光能量为1～10J，激光光斑直径为1～5mm，激光光斑搭接率为25％～75％，激光能量吸收层为80～120μm厚的铝箔，激光能量约束层为蓝宝石玻璃或者K9玻璃，激光喷丸次数为1～5次。
(f)激光喷丸强化处理后，切断电脉冲处理装置电源，关闭Nd:YAG固体激光器；然后取下试样，去除试样表面残留的吸收层和约束层，后续开展试样微观组织、残余应力以及机械性能的测试分析。
一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的装置，参见图1，主要包括：Nd:YAG激光器1、反光镜2、凸透镜3、约束层4、能量吸收层5、试样6、绝缘陶瓷涂层7、支撑平台8、五轴工作台9、运动控制器10、计算机系统11、激光控制器12、高功率脉冲电源13、示波器14。支撑平台8放置于五轴工作台9上表面，试样6放置于支撑平台8上，试样6和支撑平台8中间用绝缘陶瓷涂层7隔开，避免支撑平台8发生导电。试样6表面分别连接高功率脉冲电源13的正负极，示波器14的信号输入端通过导线与高功率脉冲电源13的信号输出端相连接，示波器14的信号输出端与计算机系统11连接，示波器14用于将电信号转变成可视化的图像，进而监测高功率脉冲电源13的稳定性，并将监测信息实时传送给计算机系统11，同时计算机系统11通过导线与高功率脉冲电源13的控制信号输入端连接，对电脉冲处理过程中的峰值电流、脉宽、脉冲频率以及脉冲时间进行控制；计算机系统11通过运动控制器10与五轴工作台9连接，运动控制器10用于控制五轴工作台9的运动轨迹；计算机系统11通过激光控制器12与Nd:YAG激光器1连接，激光控制器12用于控制Nd:YAG激光器1的工艺参数；试样6上表面依次叠加能量吸收层5和约束层4，凸透镜3设于试样6正上方，反光镜2设于凸透镜3的上方且其镜面能够反射Nd:YAG激光器1发射的激光，反光镜2用于将Nd:YAG激光器1发射的激光透过凸透镜3、约束层4和能量吸收层5垂直反射至试样6上表面。
实施例2
本实施例中金属材料为TC4钛合金板材，采用实施例1的装置和方法对材料进行处理，利用脉冲电流引起的电致塑性变形和激光喷丸诱导的超高应变率塑性变形的耦合效应提高残余压应力的幅值和深度，获得更加优异的综合力学性能。
所述脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，包括以下步骤:
(a)对TC4钛合金板材表面进行打磨和抛光，最后在工业酒精溶液中进行超声波清洗后晾干备用；
(b)在不同工艺参数下，利用正负电极在预处理后的试样表面施加电流进行电脉冲处理；以试样的最大屈服强度和断裂延伸率为优化目标，利用响应面优化法确定试样最优的电脉冲处理工艺参数(本说明书实施例中响应面优化方法依靠matable实现)；其中，所述电脉冲处理工艺参数为：脉冲频率为50～5000Hz、峰值电流为50～50000A、脉宽20～2000μs、脉冲时间为10～600s；最终，得到电脉冲处理工艺最优参数为：脉冲频率为3000Hz、峰值电流为25000A、脉宽1000μs、脉冲时间为200s。
(c)在最优的工艺参数下，对试样进行电脉冲处理，同时利用霍普金森压杆对试样进行测试，获得金属材料的动态屈服强度
(d)根据
求解金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL＝2.24GPa，其中：υ为金属材料的泊松比，取0.34，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力，取50MPa；根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax＝5.6GPa，根据
确定激光功率密度I0＝5.1GW/cm2，其中，α为内能-热能转化系数，取0.1，Z为折合声阻抗，本实施例取2.0×106g·cm-2·s-1；根据激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser，J、激光脉冲宽度τ，ns以及激光光斑直径D，mm的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数，取0.4，π取3.14。最终确认激光喷丸过程中，最优参数为：激光脉宽为20ns，激光能量为8J，激光光斑直径为2mm，光斑搭接率为50％，激光能量吸收层为100μm厚的铝箔，约束层为K9玻璃，激光喷丸次数为1次。
(e)将激光喷丸试样放置在支撑平台上，并将激光能量吸收层和约束层依次放置在试样的表面；在最优的电脉冲处理工艺参数下对试样进行电脉冲处理；随即开启Nd:YAG固体激光器，在最优的激光功率密度范围内对试样进行激光喷丸强化处理。
(f)激光喷丸强化处理后，切断电脉冲处理装置电源，关闭Nd:YAG固体激光器；然后取下试样，去除试样表面残留的吸收层和约束层，后续开展试样微观组织、残余应力以及机械性能的测试分析。
残余应力分析和力学性能测试结果如表1所示。经对比，与单一的激光喷丸相比，脉冲电流耦合激光喷丸试样的表面残余压应力幅值提高了12.6％，试样的抗拉强度和延伸率分别提高了7.5％和13.9％。
表1不同处理试样性能的比较结果
所述实施例为本发明的优选的实施方法，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 (5)
1.一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一.对金属材料表面进行打磨和抛光，最后在工业酒精溶液中进行超声波清洗后晾干备用；
步骤二.在不同工艺参数下，利用正负电极在预处理后的试样表面施加电流进行电脉冲处理；以试样的最大屈服强度和断裂延伸率为优化目标，利用响应面优化法确定试样最优的电脉冲处理工艺参数；
步骤三.在最优的工艺参数下，对试样进行电脉冲处理，同时利用霍普金森压杆对试样进行测试，获得金属材料的动态屈服强度
步骤四.根据
求解金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，其中：υ为金属材料的泊松比，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力；根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax，根据
确定激光功率密度I0，其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，Z为折合声阻抗，根据激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser、激光脉冲宽度τ以及激光光斑直径D的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数，π取3.14；
步骤五.将激光喷丸试样放置在支撑平台上，并将激光能量吸收层和约束层依次放置在试样的表面；在最优的电脉冲处理工艺参数下对试样进行电脉冲处理；随即开启Nd:YAG固体激光器，在最优的激光功率密度下对试样进行激光喷丸强化处理；
步骤六.激光喷丸强化处理后，切断电脉冲处理装置电源，关闭Nd:YAG固体激光器；然后取下试样，去除试样表面残留的吸收层和约束层，后续开展试样微观组织、残余应力以及机械性能的测试分析。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，其特征在于，所述金属材料为钛合金、铝合金、镍基合金、不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，其特征在于，所述步骤二中电脉冲处理工艺参数为：脉冲频率为50～5000Hz、峰值电流为50～50000A、脉宽20～2000μs、脉冲时间为10～600s。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法，其特征在于，所述步骤五中激光喷丸强化的工艺参数为：激光脉宽为20～50ns，激光功率密度为2.1～21GW/cm2，激光光斑直径为1～5mm，激光光斑搭接率为25％～75％，激光能量吸收层为80～120μm厚的铝箔，激光能量约束层为蓝宝石玻璃或者K9玻璃，激光喷丸次数为1～5次。
5.一种基于权利要求1所述方法的脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料装置，其特征在于，所述装置包括Nd:YAG激光器(1)、反光镜(2)、凸透镜(3)、约束层(4)、能量吸收层(5)、试样(6)、绝缘陶瓷涂层(7)、支撑平台(8)、五轴工作台(9)、运动控制器(10)、计算机系统(11)、激光控制器(12)、高功率脉冲电源(13)和示波器(14)，所述支撑平台(8)放置于五轴工作台(9)上表面，所述试样(6)放置于支撑平台(8)上，支撑平台(8)与试样(6)相接处设有绝缘陶瓷涂层(7)，试样(6)上表面依次叠加能量吸收层(5)和约束层(4)，所述高功率脉冲电源(13)的正负极分别与试样(6)表面连接，示波器(14)的信号输入端与高功率脉冲电源(13)的信号输出端连接，示波器(14)的信号输出端与计算机系统(11)连接，计算机系统(11)分别与激光控制器(12)、运动控制器(10)和高功率脉冲电源(13)的控制信号输入端连接，激光控制器(12)的控制信号输出端与Nd:YAG激光器(1)的信号输入端连接，凸透镜(3)设于试样(6)正上方，反光镜(2)设于凸透镜(3)的上方且其镜面能够反射Nd:YAG激光器(1)发射的激光，反光镜(2)用于将Nd:YAG激光器(1)发射的激光透过凸透镜(3)、约束层(4)和能量吸收层(5)垂直反射至试样(6)上表面。
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