CN113913605A - 飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，包括：步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。本发明避免了现阶段纳秒激光冲击的吸收层破损引起表面烧蚀、杂质残留和工序繁琐耗时等问题。

Description

飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法

技术领域

本发明涉及激光强化加工技术领域，特别是涉及一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法。

背景技术

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波与材料发生超高应变率交互作用实现材料表面改性的激光加工方法，可显著提高铝合金、钛合金、高强钢、高温合金等材料的抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀等使役性能。随着航空航天领域对关键零部件长寿命、高可靠服役要求的不断提高，激光冲击强化技术应用也明显更加关注强化金属材料使役性能的提高幅度。然而，金属材料使役性能的提高幅度本质上与激光诱导等离子冲击波的峰值压力密切相关，即较高的峰值压力下可获得更高表面幅值和更大纵向深度的残余压应力，进而获得更加优异的使役性能。实际上，诱导具有高峰值压力的冲击波主要通过输入更高能量的脉冲激光或改善激光冲击强化工艺结构实现。这也就使得激光冲击强化工艺应用对大能量激光器、对开发新型激光冲击强化工艺结构的需求更加迫切。

受制于大功率激光元器件研制的难度与周期，开发更大能量的激光器成为横亘在基础科研、技术开发、工业应用等多领域的难题。这也就使得激光冲击工艺结构优化成为进一步提高激光冲击强化零部件使役性能的唯一可行路径。合理选择激光冲击结构有利于改善材料的表面质量和机械性能，当前激光冲击强化工艺自上而下主要为激光束-约束层-吸收层-零件的异质结构，吸收层对最终强化质量发挥着关键作用，具有约束层与保护层的典型激光冲击强化工艺结构是实现GPa级瞬时高压等离子体冲击波产生的重要前提，也是在材料内部诱导大深度残余压应力的关键。当前，铝箔、黑胶带、黑漆作为常见的保护层材料，可有效减少激光反射，并且起到热屏障作用，保证冷塑变形。然而，铝箔胶带使用过程中存在激光吸收率低的问题，进而导致低能量激光冲击强化效果不达标，大能量冲击强化过程难控制。黑胶带使用过程中则存在表面延展强度低，强化过程易破损的问题。此外，无论铝箔还是黑胶带，与基体的结合均采用胶粘，影响激光诱导冲击向材料内部传递的延续性，且吸收层的粘贴很难避免气泡、褶皱等，易在冲击过程中破损，影响强化过程的稳定性以及强化效果的可靠性。

因此，亟需开发一种能够兼顾激光冲击强化效果，又能避免吸收层材料致使的热损伤、杂质残留和工序繁琐耗时等问题的新工艺方法，从而有效提高激光冲击强化的工艺可靠性、并降低激光冲击强化工艺的复杂度。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，包括采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层后覆盖约束层；使用纳秒激光在材料表面的约束层诱导高压冲击波。本发明步骤简单，操作便捷，效果显著进一步改善激光冲击强化材料的使役性能。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；

步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；

步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

进一步地，步骤一前还包括清理待强化材料表面。

进一步地，清理待强化材料方法包括：依次采用去离子水、有机溶剂清洗待强化材料表面，再进行干燥处理，得到干燥洁净的待强化材料。

进一步地，所述步骤一还包括设定飞秒激光直写参数，所述飞秒激光参数包括单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率。

进一步地，所述飞秒激光直写参数的设定过程为：首先采用轮廓仪测量材料表面轮廓最大高度差，并根据式(1)和(2)：

h₀≤Z_R (1)

求出所用激光光斑直径，根据设定的光斑重叠率由式(3)：

v＝(1-η)·f·D (3)

求出飞秒激光扫描速度，随后设置单脉冲能量；其中h₀为材料表面轮廓最大高度差，D为激光光斑直径，ω₀为束腰半径、Z_R为瑞利长度、λ为激光波长，η为光斑重叠率。

进一步地，所述约束层包括去离子水、K9玻璃。

进一步地，步骤一以后还包括材料表面二次清理，采用气体或液体介质冲刷直写着色的材料表面，获得洁净的飞秒着色表面。

进一步地，步骤三还包括设定纳秒冲击参数，所述纳秒冲击参数包括冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率；所述冲击时的能量不小于纳秒激光脉冲的能量阈值。

进一步地，步骤三结束以后还包括采用去离子水及有机溶剂清洗材料表面，进行干燥处理，获得最终的复合强化表面。

(3)有益效果

本发明采用飞秒激光在材料表层诱导纳米条纹结构，利用飞秒激光作用时间短，不易产生热积累的优点，进而可以在材料表面近无热影响区的情况下实现材料表面着色，并有效降低材料对激光的反射率；再利用飞秒激光处理的着色表层作为原位吸收层，进而实现无铝箔等吸收层结构的纳秒激光冲击强化，避免了现阶段纳秒激光冲击的吸收层破损引起表面烧蚀、杂质残留和工序繁琐耗时等问题。最后，本发明实施例再采用纳秒激光冲击强化，实现了大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例复合强化方法的流程示意图。

图2是本发明一实施例中待强化零件的示意图。

图3是本发明一实施例与对比例待强化零件残余应力测试的曲线图。

图中：铝合金1、着色区域2、激光光斑3、激光冲击路径4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参照附图1-附图3并结合实施例来详细说明本申请。

根据本发明实施例一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，包括：步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

在本发明实施例首先采用飞秒激光在材料表面诱导纳米条纹结构，飞秒激光聚焦后能量密度可超过10²⁰W/cm²，当激光能量瞬时注入加工区域时，由于其极短的脉冲持续时间(10^-15s量级)，激光能量来不及发生“电子—晶格”散射作用，其热效应在原子间的传递就已得到抑制。因此，利用飞秒激光可以在材料表面近无热影响区的情况下实现周期性微纳结构的加工，并在其光学衍射效应下呈现不同的颜色。该飞秒激光处理的着色表层即可作为原位吸收层，然后本发明实施例在该吸收层上覆盖约束层，使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。该方法使用飞秒激光着色、纳秒激光冲击的复合强化方法，既实现了材料表面二次强化效果，同时避免了现阶段纳秒激光冲击的吸收层破损引起表面烧蚀、杂质残留和工序繁琐耗时等问题。

综上所述，本发明实施例采用飞秒激光在材料表层诱导纳米条纹结构，利用飞秒激光作用时间短，不易产生热积累的优点，进而可以在材料表面近无热影响区的情况下实现材料表面着色，并有效降低材料反射率；再利用飞秒激光处理的着色表层作为原位吸收层，进而无铝箔等吸收层结构的激光冲击强化避免了现阶段纳秒激光冲击的吸收层破损、杂质残留和工序繁琐耗时等问题。最后，本发明实施例再采用纳秒激光冲击强化，实现了大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

具体地，本发明的一实施例中，步骤一前还包括清理待强化材料表面，将待强化材料表面清理洁净有助于步骤一飞秒激光诱导形成光洁的着色表层，使得着色表层成像效果更佳。

具体地，本发明的一实施例中，清理待强化材料方法包括：依次采用去离子水、有机溶剂清洗待强化材料表面，再进行干燥处理，得到干燥洁净的待强化材料。通过去离子水、有机溶剂清洗，再进行干燥处理，可以得到干燥、洁净的待强化材料。

具体地，本发明的一实施例中，所述步骤一还包括设定飞秒激光直写参数，所述飞秒激光参数包括单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率，通过单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率的设定可以对应不同材料设定相应参数以便于更好地利用飞秒级激光对其表面诱导出着色表层。当然，飞秒激光直写参数的设定并不仅限于单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率，其他参数还可以根据需要设置到适宜范围以确保发射出适宜波长、能量参数的飞秒激光。

具体地，本发明的一实施例中，所述飞秒激光直写参数的设定过程为：首先采用轮廓仪测量材料表面轮廓最大高度差，并根据式(1)和(2)：

h₀≤ZR (1)

求出所用激光光斑直径，根据设定的光斑重叠率由式(3)：

v＝(1-η)·f·D (3)

求出飞秒激光扫描速度，随后设置单脉冲能量；其中h₀为材料表面轮廓最大高度差，D为激光光斑直径，ω₀为束腰半径、Z_R为瑞利长度、λ为激光波长，η为光斑重叠率。通过上述计算过程可以根据材料表面轮廓最大高度差方便地计算出扫描速度，进而选择合适的单脉冲能量、重复频率和光斑重叠率等指标便可以实现适宜的着色表层。

具体地，本发明的一实施例中，所述约束层包括去离子水、K9玻璃，去离子水相对于固态约束层材料，具有易于布置，不产生气泡、鼓起等不利情况。而K9玻璃相对于其他固态约束层材料，具有不易产生气泡、鼓起等不利情况。当然，本发明实施例中的约束层并不仅限于去离子水和K9玻璃，其他任何易于布置、不易产生气泡、鼓起的材料都适合作为约束层。

具体地，本发明的一实施例中，步骤一以后还包括材料表面二次清理，采用气体或液体介质冲刷直写着色的材料表面，获得洁净的飞秒着色表面。对材料表面二次清理以后便于步骤三的纳秒冲击操作，从而形成更好的冲击效果。

具体地，本发明的一实施例中，步骤三还包括设定纳秒冲击参数，所述纳秒冲击参数包括冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率；所述冲击时的能量不小于纳秒激光脉冲的能量阈值。通过冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率的设定可以对应不同材料设定相应参数以便于更好地利用纳秒激光对其表面诱导高压冲击波。具体地，纳秒冲击参数的设定并不仅限于冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率等指标，其他参数还可以根据需要设置到适宜范围以确保发射出适宜波长、能量参数的纳秒激光。

具体地，本发明的一实施例中，步骤三结束以后还包括采用去离子水及有机溶剂清洗材料表面，进行干燥处理，获得最终的复合强化表面。采用去离子水及有机溶剂清洗材料表面，进行干燥处理可以获得更加洁净的复合强化表面。

下面结合附图以另一个实施例来说明本发明。

本发明实施例的步骤如附图1所示，而待强化零件如图2所示，待强化零件为尺寸约为20×30×5mm的7050-T7451型的铝合金1。

步骤S1：采用去离子水冲洗待强化零件表面，去除零件表面杂质，随后采用酒精、丙酮超声清洗零件表面的油污，然后进行干燥处理。

步骤S2：采用三维形貌仪测量铝合金1表面轮廓，测量结果显示最大高度差h₀为11.80μm，根据选用激光的波长λ为1064μm，利用式(1)至(2)计算出激光光斑直径D为3.99μm，进而根据需求的光斑重叠率η以及飞秒激光重复频率f，通过式(3)求得扫描速度v。本实施例中飞秒激光参数区间为：激光能量10mW-100mW、重复频率0.5-10kHz、光斑重叠率不低于33％。

步骤S3：采用步骤S2中的飞秒激光参数，以“弓”字型往复路径加工，进行表面不同颜色的直写着色，最终获得如附图2所示的飞秒激光着色区域2。

步骤S4：分别采用压缩空气和去离子水清理飞秒激光着色后的铝合金1表面，并进行干燥处理。

步骤S5：根据铝合金1的动态屈服强度计算纳秒脉冲激光能量阈值。具体计算过程为：根据待强化材料的动态屈服强度σ_dyn由式(4)和(5)：

求出纳秒激光脉冲的能量阈值E₀，并确保冲击时设定的能量En≥E₀。此外，还需设置脉冲激光冲击次数、光斑搭接率等，并完成试样的装夹及约束层的布置。本实施例中使用的纳秒脉冲激光参数为纳秒激光器的波长为1064nm，脉冲宽度为15ns，通过式(4)和(5)求解相应激光参数。本实施例中主要纳秒激光参数为：激光能量为10-30J，重复频率为1-5Hz，光斑直径为3-8mm。

步骤S6：将待强化铝合金1试样固定在机械手上，通过柔性喷头喷洒均匀的去离子水约束层，水层厚度2mm，如附图2所示的激光光斑3依次搭接，且保证搭接率不低于33％，如附图2所示的激光冲击路径4为“弓”字型往复。

步骤S7：将纳秒冲击完的铝合金1试样进行超声清洗，随后进行干燥处理，即可获得复合强化的铝合金1表面。

为验证上述本发明实施例的激光冲击强化效果，本发明在对比例中选用相同的铝合金1采用同等激光参数进行了附带吸收层的纳秒脉冲激光冲击强化，随后采用X射线方法分别对上述实施例(飞秒着色+纳秒冲击)与对比例(纳秒冲击)得到的样品进行了残余应力测试，其结果如图3所示。由图3可知，本发明实施例得到产品的残余应力幅值与影响层深度均超过对比例。可见本发明实施例得到产品激光冲击强化复合工艺较常规激光冲击强化工艺的强化效果更好，且无铝箔吸收层粘贴工序，过程得到简化，加工时间进一步减低。

为验证本发明的激光冲击强化效果，采用同等激光参数进行了附带吸收层的纳秒脉冲激光冲击强化，随后采用X射线方法分别对飞秒着色+纳秒冲击试样与纳秒冲击表面进行了残余应力测试，其结果如图3所示。由图可知，飞秒激光着色+纳秒冲击的残余应力幅值与影响层深度均超过纳秒激光冲击。可见飞秒激光着色+纳秒激光冲击强化复合工艺较常规激光冲击强化工艺的强化效果更好，且无铝箔吸收层粘贴工序，过程得到简化，加工时间进一步减低。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；

步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；

步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，步骤一前还包括清理待强化材料表面。

3.根据权利要求2所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，清理待强化材料方法包括：依次采用去离子水、有机溶剂清洗待强化材料表面，再进行干燥处理，得到干燥洁净的待强化材料。

4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，所述步骤一还包括设定飞秒激光直写参数，所述飞秒激光参数包括单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率。

5.根据权利要求4所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，所述飞秒激光直写参数的设定过程为：

首先采用轮廓仪测量材料表面轮廓最大高度差，并根据式(1)和(2)：

h₀≤ZR (1)

求出所用激光光斑直径，根据设定的光斑重叠率由式(3)：

v＝(1-η)·f·D (3)

求出飞秒激光扫描速度，随后设置单脉冲能量；其中h₀为材料表面轮廓最大高度差，D为激光光斑直径，ω₀为束腰半径、Z_R为瑞利长度、λ为激光波长，η为光斑重叠率。

6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，所述约束层包括去离子水、K9玻璃。

7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，步骤一以后还包括材料表面二次清理，采用气体或液体介质冲刷直写着色的材料表面，获得洁净的飞秒着色表面。

8.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，步骤三还包括设定纳秒冲击参数，所述纳秒冲击参数包括冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率；所述冲击时的能量不小于纳秒激光脉冲的能量阈值。

9.根据权利要求1所述的一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，步骤三结束以后还包括采用去离子水及有机溶剂清洗材料表面，进行干燥处理，获得最终的复合强化表面。

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