CN114317938B - 一种薄壁金属力学性能改变方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁金属力学性能改变方法，包括：步骤一、将工件与工件衬底贴合装配，并固定在精密移动台上；步骤二、根据工件表面形貌进行光斑路径规划；步骤三、采用激光的功率密度为GW/cm2量级，激光光斑直径为μm量级，激光脉冲宽度为飞秒级，激光冲击工件表面，利用爆炸冲击波对工件内部进行改性，并控制光斑沿着光斑路径移动，使得工件表面的光斑覆盖率在300%以上。采用飞秒激光对薄壁金属进行改性，产生的等离子体总量更少，冲击波峰值压力更高，而作用力时间更短，产生的冲击力即冲击动量更小，从而导致薄壁金属材料发生了动态屈服响应产生了微观组织变化和预应力场，却不易发生弯曲变形，达到薄壁金属部件力学性能改变的目的。

Description

一种薄壁金属力学性能改变方法
技术领域
本发明涉及材料改性技术领域，具体涉及一种薄壁金属力学性能改变方法，采用飞秒激光(超快激光、超高功率激光)改变薄壁金属材料力学性能。
背景技术
金属构件在服役过程中会承受拉作用、循环作用力，在外载荷超过材料的承受极限(屈服强度、抗拉强度)时，会发生构件断裂失效；在承受循环载荷作用时，外部载荷不需要达到承载极限，在较高周次(>105)的循环载荷下，也会发生断裂，叫做高周疲劳断裂失效。为增强金属构件的上述抵抗断裂的力学性能，根据金属学知识与力学知识常采用改变金属材料微观组织或改变金属结构内应力分布状态发方法获得更加优异的机械性能。厚度尺寸超过2mm的一般构件常采用喷丸、纳秒激光冲击强化、低塑性抛光、超声滚压等技术获得表面纳米晶、表面残余应力从而改变金属的力学性能。
其中纳秒激光冲击强化技术已经应用于诸多金属强化领域，通过巨大能量脉冲激光导致材料等离子体化产生的爆炸冲击波使材料内部产生峰值压力超过1GPa的冲击波，进而使金属内部产生微观组织变化并伴随沿深度分布的残余应力场，为了产生足够的冲击波峰值压力，使金属材料发生微观组织变化，通常纳秒激光冲击强化需要4～10GW/cm2的峰值功率密度，这意味着1cm2需要10J能量，并产生巨大冲击力作用使金属构件发生机械变形，如翘曲、凹陷、层裂、撕裂等。因此难以应用于厚度较小的金属部件，尤其是厚度小于1mm的金属部件。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明旨在提出一种在保证薄壁金属不产生大塑性变形和破坏情况下，采用超快激光(飞秒激光、超高功率激光)进行激光辐照产生冲击波改变微观组织和产生预应力，从而改变薄壁金属力学性能的方法。
由于飞秒激光脉冲时间极短(10-15～10-12s)，当脉冲激光能量达到几百微焦时，单脉冲功率达到103GW，在光斑大小可调的情况下(如光斑直径60μm)，可以获得超过GW/cm2的功率密度，达到105GW/cm2，相比纳秒激光的作用，功率密度更高，输入能量却减小了4个数量级(500μJ)。解决了现有技术在不产生大量塑性变形和破坏情况下，无法对薄壁金属进行力学性能改性的弊端。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种薄壁金属力学性能改变方法，包括：
步骤一、将工件与工件衬底贴合装配，并固定在精密移动台上；
步骤二、根据工件表面形貌进行光斑路径规划；
步骤三、采用激光的功率密度为GW/cm2量级，激光光斑直径为μm量级，激光脉冲宽度为飞秒级，激光冲击工件表面，利用爆炸冲击波对工件内部进行改性，并控制光斑沿着所述光斑路径移动，使得工件表面的光斑覆盖率在300％以上。
优选的，所述工件为金属构件，且工件厚度在0.1mm～2mm之间。
优选的，所述步骤二中，通过工件三维形貌测试建立数字化模型，并结合工艺评价制定激光参数及光斑路径规划。
优选的，采用光斑搭接方式控制工件表面的光斑覆盖率，光斑单次强化在工件表面的光斑覆盖率在300％以上。
优选的，所述光斑路径规划为：
光斑单次第一遍强化路径，控制光斑按照矩形排布规则两两接合分布在工件表面，每两个光斑圆心之间的间距为光斑直径；
光斑单次第二遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一横向错开第一距离排布，所述第一距离为光斑半径；
光斑单次第三遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一纵向错开第二距离排布，所述第二距离为光斑半径；
光斑单次第四遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第三遍强化路径逐一横向错开第三距离排布，所述第三距离为光斑半径，且所述光斑单次第四遍强化路径上的光斑逐一位于光斑单次第二遍强化路径路径上的光斑下方。
优选的，还包括牺牲层，其贴附在工件表面，所述牺牲层是金属薄膜、有机材料薄膜中的一种，所述牺牲层的厚度在5-20μm。
优选的，还包括约束层，其贴附在牺牲层表面，所述约束层选为不会被激光击穿的透光介质。
优选的，所述工件为铸造铝合金，激光波长1030nm、脉宽290fs、单脉冲能量500μJ、脉冲频率2kHz，光斑直径60μm。
本发明至少包括以下有益效果：
采用飞秒激光对薄壁金属进行改性，由于激光辐照导致材料等离子体化的物理过程，输入能量更少，产生的等离子体总量更少，冲击波峰值压力更高，而作用力时间更短，产生的冲击力即冲击动量更小，从而导致薄壁金属材料发生了动态屈服响应，产生了微观组织变化和预应力场，却不易发生弯曲变形，达到薄壁金属部件力学性能改变的目的。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明光路示意图；
图2为工艺流程图；
图3为光斑塔接花样示意图；
图4为试件尺寸及超快激光冲击区域示意图；
图5为飞秒激光冲击一次表面形貌示意图；
图6为图5对应的轮廓扫描示意图；
图7为飞秒激光冲击十次次表面形貌示意图；
图8为图7对应的轮廓扫描示意图；
图9为表面残余应力测试图；
图10为表面硬度测试图；
图11为原位拉伸应力应变曲线图；
图12为铝合金抗拉强度-疲劳强度关系曲线图。
其中，1、飞秒激光器，2、棱镜组，3、约束层，4、牺牲层，5、工件，6、工件衬底，7、移动台，8、等离子体，9、冲击波。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图所示，本发明提供了一种薄壁金属力学性能改变方法，包括以下步骤：
步骤一、将工件与工件衬底贴合装配，并固定在精密移动台上，通过移动激光源的位置来移动激光在工件表面的冲击位置；本发明中的工件为金属构件，一般工件厚度在2mm以下。
步骤二、根据工件表面形貌进行光斑路径规划，具体的，采用三维形貌仪，对超快激光冲击区域未冲击区边界进行轮廓扫描，通过三维激光扫描仪获得工件高精度几何形貌，并建立相应的三维模型，为实现复杂曲面光斑路径规划提供几何参考。通过工件三维形貌测试建立数字化模型，通过工艺评价制定具体激光参数工艺及光斑路径规划，随后工件装夹，实施强化，最后强化处理质量评价。
步骤三、采用激光的功率密度为1～105GW/cm2量级，激光光斑直径为μm量级，激光脉冲宽度为飞秒级(10-15～10-12s)，激光冲击工件表面，产生等离子体冲击波，利用爆炸冲击波对工件内部进行改性，并控制光斑沿着所述光斑路径移动，使得工件表面的光斑覆盖率在300％以上，即对工件表面需要改性的位置进行力学改性。
为了保护工件，在工件表面还贴附有牺牲层，所述牺牲层是金属薄膜、有机材料薄膜中的一种，所述牺牲层的厚度在5-20μm。
为了减少等离子体外泄，在牺牲层表面还贴附有约束层，所述约束层选为不会被激光击穿的透光介质，一般可选蓝宝石、K9玻璃、氟化钙玻璃等可透过飞秒激光的硬质固体材料或特殊液体材料，厚度未做明确限定，以可有效透过飞秒激光为准。
当飞秒激光器发出经过处理的激光脉冲，通过棱镜组操作透过约束层，照射牺牲保护层时，牺牲保护层物质被等离子体化，体积迅速膨胀，在约束层与工件之间的狭小空间形成等离子体爆炸过程，并伴随冲击波的产生，冲击波传入被处理的薄壁金属工件。由于飞秒激光的小能量，高功率特性，在超过GW/cm2功率密的情况下，输入能量仅为几十到几百微焦。从而导致金属内部发生微观组织变化的同时，不产生过大的动量传递，既实现薄壁金属件不发生破坏(变形、撕裂)前提下达到改变力学性能的作用。
飞秒激光冲击过程采用光斑搭接方式实现整个工件表面的处理，采用光斑搭接方式控制工件表面的光斑覆盖率，光斑单次强化在工件表面的光斑覆盖率在300％以上。
典型的搭接方式为：
光斑单次第一遍强化路径，控制光斑按照矩形排布规则两两接合分布在工件表面，每两个光斑圆心之间的间距为光斑直径；
光斑单次第二遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一横向错开第一距离排布，所述第一距离为光斑半径；
光斑单次第三遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一纵向错开第二距离排布，所述第二距离为光斑半径；
光斑单次第四遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第三遍强化路径逐一横向错开第三距离排布，所述第三距离为光斑半径，且所述光斑单次第四遍强化路径上的光斑逐一位于光斑单次第二遍强化路径路径上的光斑下方。
上述四遍强化完成后，即完成了单面一次强化过程。
每次强化过程中，都需要进行装夹工件→贴附牺牲保护层→贴附约束层→激光按照路径顺序辐照→去除约束层和牺牲保护层→清洁工件表面。
实施例
为了快速验证本发明超快激光冲击提高金属材料(金属薄膜)抗疲劳性能的效果，本发明通过超快激光冲击7075铸造铝合金试件，并测试相关力学参数，直接获得超快激光冲击对7075铸造铝合金试件力学性能的影响，从而来验证超快激光冲击对金属抗疲劳性能的潜在应用前景。
本实施例将考察采用铝箔作为牺牲层与激光直接辐照对厚度为0.25mm、1mm铸造铝合金的力学性能影响。
超快激光参数：
激光波长1030nm；脉宽290fs；单脉冲能量500μJ；脉冲频率2kHz；光斑直径60μm。
光斑搭接方式见图3所示。
7075铸造铝合金，材料成分见下表：
Figure GDA0004057000850000061
试件制备：
铸造铝合金坯料→电火花线切割下料→模具磨削→抛光。
最终试件厚度加工至0.25mm和1mm两种。
试件尺寸及超快激光冲击区域如图4所示。
试验条件：
本实施例主要关注超快激光冲击对0.25mm厚7075铸造铝合金试件的力学性能影响，由于试件制备困难，1mm厚试件仅做对照组，不作为实验组。因此，试验条件设置如下表所示。
Figure GDA0004057000850000062
三维相貌表征：
采用三维形貌仪，对超快激光冲击区域未冲击区边界进行轮廓扫描，结果显示如图5-8所示。
超快激光直接冲击7075铸造铝合金表面造成了材料去除效应，并使材料表面表现出凹凸不平的激光溶蚀样貌。三位相貌轮廓测量显示，超快激光1次冲击造成材料去除层厚度约为2μm；10次冲击造成材料去除厚度约为14μm。
超快激光冲击直接辐照，一方面，造成了材料表面去除，降低了材料厚度；另一方面，由于光斑搭接和激光光斑能量分布造成了材料表面粗糙度上升，表现出周期性凹凸形貌。
超快激光冲击表面残余应力：
采用Proto-iXRD残余应力衍射仪进行表面残余应力测试，如图9所示，结果表明，超快激光冲击未在7075铝合金表面产生明显的残余应力层。
超快激光冲击表面硬度：
采用显微硬度仪测量超快激光冲击试件表面硬度，覆铝冲击试件表面硬度与基体表面硬度相近，无明显变化。如图10所示，激光直接辐照冲击材料表面硬度变化明显，其中，1次冲击后，材料表面硬度从78HV提高的108HV左右；10次冲击后，材料表面硬度提高到130HV左右。
原位拉伸力学性能：
为获得超快激光冲击对铸造7075铝合金薄膜力学性能的影响，采用原位拉伸装置进行力学性能测试，如图11所示，采用位移加载控制方式，位移速率：0.1mm/min。
原位拉伸获得不同加工试件的应力应变曲线，结果显示，覆盖铝箔超快激光冲击加工试件的应力应变曲线与原始材料相近，直接辐照，1次冲击后，试件的屈服强度和抗拉强度均有所提升，其中屈服强度从75MPa提高到100MPa；10次冲击后，试件的屈服强度和抗拉强度有了更加明显的提升，屈服强度提高到150MPa，抗拉强度提高到210Mpa。
金属材料的疲劳强度一般与材料的硬度、抗拉强度、屈服强度等力学性能存在一定的相关关系，根据经验的铝合金疲劳强度-抗拉强度关系公式估计，铝合金材料抗拉强度提高30MPa，预计疲劳强度将提高约17％。
铝合金疲劳强度-抗拉强度关系公式：
σw＝(0.53-5.66×10-4σb)σb
铝合金抗拉强度-疲劳强度关系曲线见图12所示。
由上所述，超快激光直接冲击铝合金薄膜试件有效提高了材料的屈服强度与抗拉强度，通过经验公式计算，预计疲劳强度将提高17％左右，该试验间接证明了超快激光直接冲击金属材料可以提高材料疲劳强度的可能性，预示了超快激光冲击改变金属薄膜力学性能的潜在应用价值。
采用飞秒激光对薄壁金属进行改性，由于激光辐照导致材料等离子体化的物理过程，输入能量更少，产生的等离子体总量更少，冲击波峰值压力更高，而作用力时间更短，产生的冲击力即冲击动量更小，从而导致薄壁金属材料发生了动态屈服响应产生了微观组织变化和预应力场，却不易发生弯曲变形，达到薄壁金属部件力学性能改变的目的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种薄壁金属力学性能改变方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将工件与工件衬底贴合装配，并固定在精密移动台上；
步骤二、根据工件表面形貌进行光斑路径规划；
步骤三、采用激光的功率密度为GW/cm2量级，激光光斑直径为μm量级，激光脉冲宽度为飞秒级，激光冲击工件表面，利用爆炸冲击波对工件内部进行改性，并控制光斑沿着所述光斑路径移动，使得工件表面的光斑覆盖率在300％以上；
所述步骤二中，通过工件三维形貌测试建立数字化模型，并结合工艺评价制定激光参数及光斑路径规划；
所述光斑路径规划为：
光斑单次第一遍强化路径，控制光斑按照矩形排布规则两两接合分布在工件表面，每两个光斑圆心之间的间距为光斑直径；光斑单次第二遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一横向错开第一距离排布，所述第一距离为光斑半径；光斑单次第三遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第一遍强化路径逐一纵向错开第二距离排布，所述第二距离为光斑半径；光斑单次第四遍强化路径，控制光斑沿着光斑单次第三遍强化路径逐一横向错开第三距离排布，所述第三距离为光斑半径，且所述光斑单次第四遍强化路径上的光斑逐一位于光斑单次第二遍强化路径路径上的光斑下方；
所述工件为铸造铝合金，激光波长1030nm、脉宽290fs、单脉冲能量500μJ、脉冲频率2kHz，光斑直径60μm；
还包括牺牲层，其贴附在工件表面，所述牺牲层是金属薄膜、有机材料薄膜中的一种，所述牺牲层的厚度在5-20μm；
还包括约束层，其贴附在牺牲层表面，所述约束层选为不会被激光击穿的透光介质。
2.如权利要求1所述的薄壁金属力学性能改变方法，其特征在于，所述工件为金属构件，且工件厚度在0.1mm～2mm之间。
3.如权利要求1所述的薄壁金属力学性能改变方法，其特征在于，采用光斑搭接方式控制工件表面的光斑覆盖率，光斑单次强化在工件表面的光斑覆盖率在300％以上。
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