CN113322374B - 基于悬浮液滴增强的激光冲击方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法及其应用，主要特征在于：在辅助温度场或者固有高温环境下，基于液滴在高温下的莱顿弗罗斯特效应及聚焦特性，以悬浮液滴作为约束层，在利用悬浮液滴约束层实现等离子体约束的同时，将脉冲激光在靶材近表面二次聚焦，增大激光能量密度及激光冲击压力，实现基于悬浮液滴增强的激光冲击。该方法能够在实现激光冲击过程中约束层的高柔性、非接触式、无残留、精准铺设，并能有效改善激光冲击强化效果，适用于大尺寸表面激光冲击强化，激光冲击压印及复合制造领域。

Description

基于悬浮液滴增强的激光冲击方法及其应用
技术领域
本发明属于激光先进制造领域，具体涉及一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法及其应用。
背景技术
近些年来，激光加工技术的发展日新月异，随着激光冲击波力学效应和光力耦合关系研究的深入，以激光力学效应为主的光-力耦合制造理论与技术，在国防和民用工业中具有广泛的应用前景。
激光冲击强化是一种新近发展的激光加工技术的一种，其通过激光诱导产生等离子体冲击波轰击金属表面，使其表面在极短的时间内产生超高应变率的塑性变形，改变材料微观结构，并产生加工硬化层和残余压应力层，可以有效抑制高周疲劳裂纹萌生和扩展，从而达到提高金属抗疲劳性能的目的。此外，2010年，美国普渡大学研究人员报道了一种提高激光冲击强化稳定性的方法—温辅助激光冲击，也称为温激光冲击。该工艺在激光冲击强化基础上辅助热源，在脉冲激光诱导等离子体冲击波的作用下，能够促进激光冲击强化过程中发生动态应变时间和动态析出，在致密位错周围析出弥散分布的强化相，利用强化相对位错的钉扎效应，进一步提高材料的硬度、强度、疲劳性能、高温组织稳定性和抗蠕变性能。实际上，在室温激光冲击强化和温激光冲击强化中，约束层均扮演着至关重要的角色，对激光冲击压力及激光冲击效果起着决定性的作用。这是由于约束层作为等离子体冲击波的约束介质，能够抑制等离子体冲击波向四周的传递及扩散，使更多的冲击波向金属靶材内部扩散，约束层的增设能够使相同技术参数下的冲击压力增大数倍。目前常用的约束层主要为K9玻璃及流动水层。而这些约束层的在激光冲击过程中，存在易于玻璃破损、重复使用率低的问题。并且，在执行大尺寸金属部件表面激光冲击强化的过程中，传统约束层的铺设也费时费力。因此，如何设计一种用于激光冲击的高柔性、高效率、铺设简单、无残留的约束层，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，该方法能够在实现激光冲击过程中约束层的高柔性、非接触式、无残留、精准铺设，并且利用液滴的激光二次聚焦效应，能够有效改善激光冲击强化效果，适用于大尺寸表面激光冲击压印、激光冲击强化及复合制造领域。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，主要包括以下内容：
在辅助温度场或者固有高温环境下，基于液滴在高温表面的莱顿弗罗斯特效应及聚焦特性，以悬浮液滴作为约束层，在利用悬浮液滴约束层实现等离子体约束的同时，将脉冲激光在靶材近表面的二次聚焦，增大激光能量密度及脉冲压力，实现基于悬浮液滴增强的激光冲击。主要包括以下步骤：
S1：固定待激光冲击处理材料或工件位置；
S2：脉冲激光参数设置；
S3：悬浮液滴约束层铺设参数设置；
S4：待加工材料或工件加热及恒温；
S5：执行基于悬浮液滴增强的激光冲击过程。
作为优选方案，步骤S1所述待激光冲击处理材料铺设过程包括待加工材料或部件的加工位置确定、待加工材料或部件的夹紧过程。
进一步的，步骤S2所述的脉冲激光参数设置环节所涉及的具体参数包括脉冲激光能量、脉宽、频率及光斑尺寸。
进一步地，步骤S3所述悬浮液滴约束层铺设参数设置环节所涉及的具体参数包括悬浮液滴直径、悬浮液滴铺设位置及铺设频率。
进一步地，所述悬浮液滴直径应大于脉冲激光光斑直径。
进一步地，所述悬浮液滴铺设位置与脉冲激光作用区域中心重合，通过同时移动脉冲激光与液态约束层铺设装置或者单独移动待冲击工件实现。
进一步地，所述悬浮液滴铺设频率与脉冲激光频率一致，确保悬浮液滴约束层铺设环节与激光冲击环节协调进行。
进一步地，步骤S3所述悬浮液滴的铺设方式可以为但不限于滴注、喷洒。
进一步地，步骤S3所述悬浮液滴为透明液滴。所述悬浮液滴的成分在高温下具有快速挥发或者气化特性，能保证未冲击区域的整洁，可以为但不限于水、酒精、双氧水。
进一步地，步骤S4所述待加工材料或工件加热及恒温通过辅助温度场执行，辅助温度场可以通过热传导、激光、电热实现。
进一步地，步骤S4所述待加工材料或工件加热及恒温温度应大于100℃。
第二方面，本发明提供一种如上述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在激光冲击压印和/或激光冲击强化中的应用。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，利用体积轻小并且易于高温气化的液态介质作为约束层，能够克服传统约束层的已破损、高损耗的缺点，降低生产成本，有望取代以玻璃作为约束层的传统激光冲击方法。此外，本发明所提出的悬浮液滴约束层能够通过液滴的激光二次聚焦效果，能够大幅度提升激光冲击压力，能够促进激光冲击强化技术在激光冲击压印、激光冲击强化等领域的应用，能够有效提高冲击压印效率并显著改善材料的力学性能，具有高效率、高柔性、无污染、高普适性的特点。
附图说明
图1为本发明在激光冲击压印中的应用工艺简图；
图中：1-脉冲激光，2-金属箔，3-模具，4-恒温平台，5-液滴约束层生成装置，6-液滴。
图2为激光冲击过程悬浮液滴约束层高速相机图像；
图2中：(a)为悬浮液滴初始图像，(b)为脉冲激光作用后悬浮液滴爆炸图像，(c)为爆炸后的液体在空气中的散落图像，(d)为基于悬浮液滴增强的激光冲击整洁表面图像。
图3为不同约束层的激光冲击压印铜箔表面金相图；
图3中：铜(a)为铺设传统K9玻璃约束层的激光冲击压印铜箔金相，(b)为铺设悬浮液滴约束层的激光冲击压印铜箔金相。
图4为不同约束层的激光冲击压印铜箔表面三维轮廓图；
图4中：(a)为铺设传统K9玻璃约束层的激光冲击压印铜箔三维轮廓图，(b)为铺设悬浮液滴约束层的激光冲击压印铜箔三维轮廓图；
图5为不同约束层下激光冲击强化纯铜表面显微硬度对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的方案做进一步详细阐述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
参见图1，本实施例以一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在激光冲击压印中的应用展开，包含以下步骤：
(1)激光冲击压印材料铺设。将模具3及金属箔2依次平整的铺设于恒温平台4上。本实施例中，金属箔2选用为厚度为50μm的铜箔，模具3选用孔径为250μm的铁网，此外，设立无约束层激光冲击压印、以喷覆石墨的铝箔为吸收层，厚度为2mm的K9玻璃为约束层的激光冲击压印对比实验，所用材料与上述一致。
(2)脉冲激光参数设置。脉冲激光1的能量设置为1J，脉宽为1064nm，频率为1Hz，光斑直径为2mm。
(3)悬浮液滴约束层铺设参数设置；液滴约束层生成装置5中液滴6滴落频率调整为1Hz，液滴6为去离子水，水滴直径约为1.5mm。依据脉冲激光器指示光的位置确定脉冲激光1初始压印位置，并设置脉冲激光1初始压印位置与悬浮液滴滴落位置重合，悬浮液滴铺设采用滴落形式，通过蠕动泵实现。
(4)待加工材料加热及恒温：本实施例中待加工材料加热通过恒温平台4实现，恒温平台4温度设置为400℃。
(5)通过高速相机实施拍摄激光冲击压印过程，并通过金相显微镜及3D轮廓仪评估激光冲击压印效果。
高速相机采集的一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在激光冲击压印中应用过程图像如图2所示。
从图2(a)中可以看出，在恒温平台4的温度辅助下，液滴6在金属箔2表面呈规则圆形，这是由于高温致使水滴表面快速气化，蒸汽能够托动水滴漂浮在金属箔2表面，也证明了本发明提出的以悬浮液滴作为约束层的方法的真实性及可行性。
从图2(a)-(d)中可以看出，液滴6在单次激光冲击压印后能够快速爆炸并气化，金属箔2表面并无残留，证明了本发明提出的基于非接触可移动液态约束层的激光冲击方法具有轻便、整洁、无粘连及无污染的特点。
此外，从图3(a)铜以K9玻璃为约束层的传统激光冲击压印制备的铜箔表面仅仅呈现出不完全变形的压印轮廓，而应用基于悬浮液滴增强的激光冲击方法压印制备的铜箔表面呈现出良好的压印效果。结合图4中两种激光冲击压印方法处理下铜箔表面的三维轮廓图可以看出，以K9玻璃作为约束层的激光冲击压印铜箔表面最大成形深度为60.212μm(图4(a))，而以本发明提出的悬浮液滴作为约束层的激光冲击压印铜箔表面最大成形深度为90.482μm，证明本发明提出的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在能够满足正常的等离子体约束的要求的同时，还能够通过液滴约束层对激光的二次聚焦效果，进一步增大冲击压力，提高激光冲击压印效果。
实施例2：
本实施例以一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在激光冲击强化中的应用展开，包含以下步骤：
(1)激光冲击强化材料铺设。将厚度为2mm的铜片平整的铺设于恒温平台上，并利用螺栓夹具固定铜片位置，减小铜片与恒温平台之间的间隙。此外，设立以喷覆石墨的铝箔为吸收层，厚度为2mm的K9玻璃为约束层的激光冲击强化对比实验，所用金属材料与上述一致。
步骤(2)-(4)与实施例1一致。
(5)利用维氏硬度计测量不同约束层下激光冲击强化纯铜片的显微硬度。
未冲击强化及在不同约束层下激光冲击强化纯铜片的显微硬度如图5所示，从图中可以看出，在经过400℃加热并恒温条件下退火处理后的纯铜片的显微硬度为43.1HV，经过以K9玻璃作为约束层激光冲击强化处理后其硬度提升至80.6HV，而利用本发明提出的悬浮液滴作为约束层激光冲击强化处理后铜片的硬度提升至153HV，证明本发明提出的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法能够利用透明悬浮液滴对激光的二次聚焦效果增大激光能量密度和脉冲压力，进一步提升材料的力学性能，获得更优的强化效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：在辅助温度场或者固有高温环境下，基于液滴在高温下的莱顿弗罗斯特效应及聚焦特性，以悬浮液滴作为约束层，在利用悬浮液滴约束层实现等离子体约束的同时，将脉冲激光在靶材近表面二次聚焦，增大激光能量密度和激光冲击压力，实现基于悬浮液滴增强的激光冲击；主要包括以下步骤：
S1：待激光冲击处理材料或工件加工位置确认；
S2：脉冲激光参数设置；
S3：悬浮液滴约束层铺设参数设置；
S4：待加工材料或工件加热及恒温；
S5：执行基于悬浮液滴增强的激光冲击过程。
2.根据权利要求1所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤S1中的待激光冲击处理材料或工件加工位置确认包括待加工材料或部件的加工位置确定及待加工材料或部件的夹紧过程。
3.根据权利要求1或2所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤S2中的脉冲激光参数设置环节所涉及的具体参数包括脉冲激光能量、脉宽、频率及光斑尺寸。
4.根据权利要求3所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤S3中悬浮液滴约束层铺设参数设置环节所涉及的具体参数包括悬浮液滴直径、悬浮液滴铺设位置及铺设频率。
5.根据权利要求4所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述步骤S4中的待加工材料或工件加热及恒温过程通过辅助温度场执行，辅助温度场利用热传导、激光、电热实现；所述待加工材料或工件加热及恒温的温度应大于100℃。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述悬浮液滴为透明液滴；所述悬浮液滴的成分在高温下具有快速挥发或者气化特性，能保证未冲击区域的整洁，成分为水、酒精或双氧水中任一种；所述悬浮液滴直径应大于脉冲激光光斑直径。
7.根据权利要求6所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法及其应用，其特征在于：所述悬浮液滴铺设位置与脉冲激光作用区域中心重合，通过同时移动脉冲激光与液态约束层铺设装置或者单独移动待冲击工件实现。
8.根据权利要求7所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法，其特征在于：所述悬浮液滴铺设频率与脉冲激光频率一致，确保悬浮液滴约束层铺设环节与激光冲击环节协调进行；所述悬浮液滴的铺设方式为滴注或喷洒。
9.一种如权利要求1或2或4或5或7或8所述的基于悬浮液滴增强的激光冲击方法在激光冲击压印和/或激光冲击强化中的应用。
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