CN113102884B - 一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，包括步骤：搭建水下环境的加工平台，调整脉冲激光为圆形脉冲激光光束、平顶能量分布；调整脉冲激光光束焦点和待加工材料表面为正离焦量，保证待加工材料表面接收辐照的脉冲激光光束的能量密度为1‑5GW/cm2、表面烧蚀层厚度小于200μm；采用上述已确定的脉冲激光条件对待加工材料表面进行单激光光束的激光冲击处理，根据待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能确定多点区域激光冲击处理时的搭接率；利用已确定的激光光束冲击条件进行实际材料表面改性处理。本发明方法使最终获得的材料表面光滑、残余应力均匀分布，所得材料呈现外硬内韧的机械性能分布状态。

Description

一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，属于材料表面强化与改性技术领域。
背景技术
激光冲击材料表面加工是一种基于脉冲激光的力效应而实现材料表面改性目的的方法。在常规的激光冲击加工工艺中，ns量级以及更快脉冲时间的激光光束诱导高温高压等离子体而形成作用于材料表面的GPa量级冲击波，这被认为是激光冲击方法的材料表面加工原理。随着高速摄像等技术的发展，技术人员依据激光诱导水下空化效应的发生条件，提出等离子体冲击与空化效应协同利用的复合激光力效应的表面改性新技术。然而，在上述两类激光表面加工方法中，材料表面一般需要涂敷一定厚度的吸收层材料，通过隔绝激光热效应的方式来避免基体材料的烧蚀破坏。
在水下等液体环境中，黑胶带等吸收层材料的涂敷处理是较为困难的；但是，无吸收层涂敷又会引起材料表面严重烧蚀，使得表面粗糙度增加和组织性能弱化。如何在无吸收层涂敷情况下，最大程度减轻材料表面烧蚀引发的消极影响、并将其转变为有效的加工途径是激光冲击材料加工技术研究者面临的科学问题之一。
为此提出本发明。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法。在无吸收层涂敷情况下，本发明方法将材料表面烧蚀的消极影响转变为有效加工途径，在无法避免材料烧蚀的情况下，将表面烧蚀的破坏性作用合理转化为有益性效果。本发明方法不再单纯属于基于激光力效应的冲击型表面加工技术，而成为一种激光热效应与力效应耦合的多效应复合表面改性方法。本发明材料表面的改性方法使得最终获得的材料表面光滑，残余应力均匀分布；并且呈现外硬内韧的特殊机械性能分布状态。
本发明的技术方案如下：
一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，包括步骤：
(1)搭建水下环境的脉冲激光冲击材料加工平台，调整脉冲激光为圆形脉冲激光光束；
(2)调整脉冲激光光束能量分布方式为平顶能量分布；
(3)调整脉冲激光光束焦点和待加工材料表面的离焦量为正离焦量，同时保证待加工材料表面接收辐照的脉冲激光光束的能量密度为1-5GW/cm2，脉冲激光光束导致的待加工材料表面烧蚀层厚度小于200μm；
(4)采用步骤(1)-(3)确定的脉冲激光光束以及离焦量，对待加工材料表面进行单激光光束的激光冲击处理；测试待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能，确定待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能分布规律；根据确定的机械性能分布规律确定多点区域激光冲击处理时的激光光束搭接率；
(5)利用步骤(1)-(4)确定的激光光束冲击条件进行实际待加工材料表面的改性处理。
根据本发明，步骤(1)中，所述脉冲激光冲击材料加工平台按现有技术即可。脉冲激光冲击材料加工平台包括：脉冲激光发射器、外光路系统、水下加工环境的载物装置，水下环境由去离子水提供。
根据本发明优选的，步骤(1)中，激光光束的脉冲宽度为ns量级。
根据本发明，步骤(2)中，平顶能量分布是指单光束脉冲激光辐照区域内的激光能量相同；平顶能量分布的调整方式可按现有技术，可通过电压调整等方式实现，也可通过光学研究人员提供的其它方法，只要达到单光束脉冲激光辐照区域内激光能量相同即可。优选的，调整脉冲激光光束能量分布方式为平顶能量分布的方法包括步骤：发射脉冲激光光束于黑色试纸，判断黑色试纸表面烧蚀程度；调节脉冲激光发射器的电压，当黑色试纸表面烧蚀区域的颜色衬度相同则认定激光光束能量分布方式为平顶能量分布。
根据本发明，步骤(3)中，激光光束焦点的位置在待加工材料表面的上方，即保持材料表面相对激光光束焦点具有正离焦量。当材料表面相对激光光束具有离焦量时，材料表面所承受的激光能量密度得到降低；当材料表面的离焦量为正离焦量时，水中环境具备了形成激光空化效应的条件。待加工材料表面的熔融烧蚀层厚度可通过材料界面的显微组织观察来确定，即通过扫描电子显微镜等手段获得材料纵截面显微组织图像，并测试表层重熔组织的深度。待加工材料表面的能量密度可按现有技术计算得到。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述待加工材料为铝、铜、不锈钢或合金；优选的，所述合金为铝合金、铜合金或高温合金。
根据本发明优选的，步骤(4)中，所述的微观机械性能为显微硬度或残余应力；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域的半径R大于2mm时，选择残余应力表征材料的微观机械性能；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域的半径R小于等于2mm时，选择显微硬度来表征材料的微观机械性能。具体原因为，残余应力在较小区域内的测量精度会发生减低，故仅在激光光束辐照区域较大时采用残余应力表征材料的微观机械性能。
根据本发明优选的，步骤(4)中，确定多点区域激光冲击处理时的激光光束搭接率的方法如下：由于激光光束焦点位于水中时，脉冲激光可诱导空化效应并形成作用于材料表面的冲击波，因此，激光光束辐照的中心区域承受等离子体冲击与空化效应的双重力效应。当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内、沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值小于等于平均微观机械性能的10％时，则待加工材料表面激光光束辐照范围内的微观机械性能呈均匀分布状态，在多点区域激光冲击处理时，根据实际需求选择激光光束搭接率；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内、沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值大于平均微观机械性能的10％时，则待加工材料表面激光光束辐照范围内存在空化效应诱导的机械性能增益区域，在多点区域激光冲击处理时，需根据待加工材料表面激光光束辐照的具有较高微观机械性能的中心区域范围大小即空化效应诱导的机械性能增益区域大小来确定激光光束搭接率。所述空化效应诱导的机械性能增益区域是圆形区域，其圆心和激光光束辐照的圆形区域的圆心相同。所述平均微观机械性能的测试按现有技术即可。
优选的，判断空化效应诱导的机械性能增益区域大小的方法为：绘制待加工材料表面微观机械性能沿激光光束辐照区域径向路径的整体分布曲线后，沿激光光束辐照区域的径向路径确定若干宽度为200μm的测试位置段，确定测试位置段两端微观机械性能差距最大时对应的位置，为N～N+200μm，则空化效应诱导的机械性能增益区域的半径RN可确定为N+100μm；所述N和N+200μm为测试位置段两端距离圆心的距离。
本发明选择宽度为200μm的测试位置段，可以在满足测试条件下完成足够更精细的微观机械性能分布表征。本发明中，沿径向路径的最大微观机械性能、最小微观机械性能以及测试位置段等在半径向路径内测试即可；因为激光光束为圆形光束，圆形光束以圆心为中心，每个圆环上的能量都是相同的，不同直径圆环的能量才是不同的。并且本发明待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能分布规律是在多条半径向路径内测试取平均值得到，以保证规律的准确性。
根据本发明，当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值小于等于平均微观机械性能的10％时，在多点区域激光冲击处理时，根据实际需求按现有技术选择激光光束搭接率即可，一般在30％～50％选择。
优选的，当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值大于平均微观机械性能的10％时，在多点区域激光冲击处理时，激光光斑搭接率为[(R-RN)/R]×100％，其中R为待加工材料表面激光光束辐照区域的半径，RN为空化效应诱导的机械性能增益区域的半径。
本发明的技术特点及有益效果如下：
在无吸收层涂敷情况下的等离子体冲击与空化效应耦合的激光力效应表面改性方法中，激光光束能量分布的均值以及具体分布方式引起材料表面局部熔融，材料表面严重烧蚀且烧蚀状态分布极不均匀，使得表面粗糙度增加和组织性能弱化。为了克服上述问题，本发明提供一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法。在无吸收层涂敷情况下，本发明方法将材料表面烧蚀的消极影响转变为有效加工途径，在无法避免材料烧蚀的情况下，将表面烧蚀的破坏性作用合理转化为有益性效果。本发明方法不再单纯属于基于激光力效应的冲击型表面加工技术，而是基于重熔改性-等离子体冲击-空化的多效应复合激光冲击表面改性方法。
本发明通过设定激光光束的能量分布方式以及降低激光光束的平均能量密度，在较低热效应的作用下，使材料表面形成均匀厚度的重熔改性层。较薄的重熔改性层具有高硬度，且不会阻碍激光力效应向材料内部的传递。在本方法中，(1)重熔改性层借助激光热效应而形成，使得材料外表层具有高硬度；(2)等离子体冲击波与空化爆轰波作为激光力效应的主要作用形式，使得材料亚表层具有明显的残余压应力场引入；(3)低能量密度导致的等离子体冲击效应的作用效果损失可通过空化效应的加工效果进行补偿。
本发明所述方法协同利用脉冲激光入射到水中待加工材料所发生的不同物理效应，即材料表层的重熔烧蚀与等离子体冲击、材料表层上方的空化爆轰波效应。特别适用铝、铜等轻合金金属材料的激光表面改性处理。可形成外表层具备高硬度、亚表层存在残余压应力场的特殊的综合机械性能分布状态。本发明材料表面的改性方法使得最终获得的材料表面光滑，残余应力均匀分布；并且呈现外硬(重熔改性层的高硬度)内韧(亚表层的残余应力引入)的特殊机械性能分布状态。
附图说明
图1为对比例常规水下激光冲击处理导致材料表面严重烧蚀的作用过程示意图；
图2为本发明实施例1热力复合水下激光冲击方法处理后的材料表面烧蚀状态的形成过程示意图；
其中，1、5为待加工材料，2、6为脉冲激光光束，3、7为水环境，4、8为材料烧蚀而成的重熔改性层表面状态；
图3为本发明实施例1中脉冲激光冲击材料加工平台的结构示意图；其中，9为脉冲激光发射器、10为外光路系统、11为水下环境、12为水下加工环境的载物装置；
图4为本发明实施例1中确定机械性能增益区域方法的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但不限于此。
同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂、材料和设备，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例
一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，包括步骤：
(1)搭建水下环境的脉冲激光冲击材料加工平台，调整脉冲激光为圆形脉冲激光光束，激光能量6J、脉冲宽度18ns；
所述脉冲激光冲击材料加工平台包括：脉冲激光发射器9、外光路系统10、水下加工环境的载物装置12，水下环境11由去离子水提供。
(2)调整脉冲激光光束能量分布方式由高斯分布调整为平顶分布；具体方法如下：发射脉冲激光光束于黑色试纸，判断黑色试纸表面烧蚀程度；调节脉冲激光发射器的电压，当黑色试纸表面的白色烧蚀区域的颜色衬度相同则认定激光光束能量分布方式为平顶能量分布。
(3)待加工材料为纯铜金属材料。将待加工材料表面置于远离激光光束焦点的位置，即保持材料表面相对激光光束焦点具有正离焦量。为保证待加工材料表面的位置需满足其接收辐照的激光光束的能量密度小于5GW/cm2，激光光束辐照材料表面的圆形区域直径需大于3mm；进一步的增大正离焦量，并借助扫描电子显微镜对单光束辐照区域的纵截面的显微组织观察，确定使得材料表面烧蚀厚度为180μm时的正离焦量条件，并测定此时的激光光束辐照区域直径为5mm，对应的正离焦量为1.1mm。
(4)采用前述步骤已确定的脉冲激光光束以及已确定的待加工材料表面的离焦量，对待加工材料进行单激光光束的激光冲击处理。
由于激光光束辐照区域直径为5mm，选择残余应力表征材料的微观机械性能，采用X射线残余应力测试仪来测试材料表面的残余应力。
测试单激光光束辐照区域内的残余应力，确定残余应力在光束辐照范围内的分布规律，得出激光光束辐照的圆形区域内沿径向路径的最大残余应力(-210MPa)与最小残余应力(-120MPa)；最大残余应力(-210MPa)与最小残余应力(-120MPa)的差值大于平均残余应力(-150MPa)的10％，即激光光束辐照范围内存在空化效应诱导的机械性能增益区域。
判断空化效应诱导的机械性能增益区域大小的方法为：绘制待加工材料表面微观机械性能沿激光光束辐照区域半径向路径的整体分布曲线后，沿激光光束辐照区域的半径向路径确定若干宽度为200μm的测试位置段，测试位置段两端微观机械性能差距最大时对应的位置N～N+200μm，N为900μm，即900～1100μm，则空化效应诱导的机械性能增益区域的半径RN可确定为1000μm。此步骤方法可参照示意图图3。
本实施例上述待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能分布规律以及残余应力均是在多条半径向路径内测试取平均值得到，以保证规律以及数据的准确性。
(5)根据步骤(4)中确定的空化效应诱导的机械性能增益区域的半径RN确定多点区域激光冲击处理时的激光光束搭接率；
激光光斑搭接率为[(2500-1000)/2500]×100％＝60％。
(6)利用步骤(1)-(5)确定的激光光束冲击条件进行实际待加工材料表面的改性处理。
最终获得的材料表面光滑，残余应力均匀分布；并且呈现外硬(重熔改性层的高硬度)内韧(亚表层的残余应力引入)的特殊机械性能分布状态；相比现有表面改性方法所得材料，增加了材料的服役时间。
对比例
一种水下激光冲击材料表面改性方法，包括步骤：
(1)搭建水下环境的脉冲激光冲击材料加工平台，调整脉冲激光为圆形脉冲激光光束，激光能量6J、脉冲宽度18ns；
所述脉冲激光冲击材料加工平台包括：脉冲激光发射器、外光路系统、水下加工环境的载物装置，水下环境由去离子水提供。
(2)调整脉冲激光光束能量分布方式为高斯分布；
(3)待加工材料为纯铜金属材料；激光光束聚焦位置处于待加工材料表面。对纯铜金属材料在所述平台进行激光冲击处理时，脉冲激光光束焦点汇聚于材料表面，材料表面发生烧蚀并形成高温高压等离子体，在去离子水的约束作用下，所述等离子体的短时爆炸冲击波作用于材料表面并诱导产生塑性变形。在所述加工平台进行表面处理后，材料表面形成明显的烧蚀坑，提高材料表面粗糙度并引入残余应力。
(4)以常规搭接率(50％)对待加工材料进行多点激光冲击表面处理后，材料表面粗糙且形成分布不均匀的残余应力。相比实施例1方法所得材料，材料的服役时间减少，机械性能较低。

Claims (6)

1.一种热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，包括步骤：
（1）搭建水下环境的脉冲激光冲击材料加工平台，调整脉冲激光为圆形脉冲激光光束；
（2）调整脉冲激光光束能量分布方式为平顶能量分布；
（3）调整脉冲激光光束焦点和待加工材料表面的离焦量为正离焦量，同时保证待加工材料表面接收辐照的脉冲激光光束的能量密度为1-5GW/cm2，脉冲激光光束导致的待加工材料表面烧蚀层厚度小于200μm；
（4）采用步骤（1）-（3）确定的脉冲激光光束以及离焦量，对待加工材料表面进行单激光光束的激光冲击处理；测试待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能，确定待加工材料表面单激光光束辐照区域内的微观机械性能分布规律；根据确定的机械性能分布规律确定多点区域激光冲击处理时的激光光束搭接率；
确定多点区域激光冲击处理时的激光光束搭接率的方法如下：当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内、沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值小于等于平均微观机械性能的10%时，则待加工材料表面激光光束辐照范围内的微观机械性能呈均匀分布状态，在多点区域激光冲击处理时，根据实际需求选择激光光束搭接率；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内、沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值大于平均微观机械性能的10%时，则待加工材料表面激光光束辐照范围内存在空化效应诱导的机械性能增益区域，在多点区域激光冲击处理时，需根据待加工材料表面激光光束辐照的具有较高微观机械性能的中心区域范围大小即空化效应诱导的机械性能增益区域大小来确定激光光束搭接率；
判断空化效应诱导的机械性能增益区域大小的方法为：绘制待加工材料表面微观机械性能沿激光光束辐照区域径向路径的整体分布曲线后，沿激光光束辐照区域的径向路径确定若干宽度为200μm的测试位置段，确定测试位置段两端微观机械性能差距最大时对应的位置，为N~N+200μm，则空化效应诱导的机械性能增益区域的半径RN可确定为N+100μm；所述N和N+200μm为测试位置段两端距离圆心的距离；
当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域内沿径向路径的最大微观机械性能与最小微观机械性能的数值差值大于平均微观机械性能的10%时，在多点区域激光冲击处理时，激光光斑搭接率为[(R-RN)/R]×100%，其中R为待加工材料表面激光光束辐照区域的半径，RN为空化效应诱导的机械性能增益区域的半径；
（5）利用步骤（1）-（4）确定的激光光束冲击条件进行实际待加工材料表面的改性处理。
2.根据权利要求1所述热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，其特征在于，步骤（1）中，激光光束的脉冲宽度为ns量级。
3.根据权利要求1所述热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，其特征在于，步骤（2）中，调整脉冲激光光束能量分布方式为平顶能量分布的方法包括步骤：发射脉冲激光光束于黑色试纸，判断黑色试纸表面烧蚀程度；调节脉冲激光发射器的电压，当黑色试纸表面烧蚀区域的颜色衬度相同则认定激光光束能量分布方式为平顶能量分布。
4.根据权利要求1所述热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，其特征在于，步骤（3）中，所述待加工材料为铝、铜或合金。
5.根据权利要求4所述热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，其特征在于，所述合金为铝合金、铜合金、高温合金或不锈钢。
6.根据权利要求1所述热力复合水下激光冲击的材料表面改性方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的微观机械性能为显微硬度或残余应力；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域的半径R大于2mm时，选择残余应力表征材料的微观机械性能；当待加工材料表面激光光束辐照的圆形区域的半径R小于等于2mm时，选择显微硬度来表征材料的微观机械性能。
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