一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法 |
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| 申请号 | CN202310107635.0 | 申请日 | 2023-02-06 | 公开(公告)号 | CN116179838A | 公开(公告)日 | 2023-05-30 |
| 申请人 | 西南交通大学; | 发明人 | 蔡振兵; 俞延庆; 李珂; 余施佳; 方修洋; 周龙龙; 宫健恩; 周留成; 何卫锋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种飞秒激光 叠加 无涂层 激光冲击强化 的复合强化方法，包括以下步骤：首先对待强化材料表面进行清洁处理，并对清洁后的材料表面进行干燥；随后将处理后的材料表面 覆盖 水 约束层，并使用毫焦级纳秒激光对材料表面进行无涂层激光冲击强化处理；再对强化后的材料进行清洁并干燥；再使用飞秒激光对强化处理后的材料表面进行飞秒激光冲击强化，直至覆盖材料表面已冲击强化区域；最后对冲击强化完成后的材料进行清洁和干燥。该方法采用了毫焦级激光冲击强化诱导形成塑形形变层和飞秒激光冲击强化去除微裂纹的技术，大大提高了材料的加工效率，提高了表面 质量 ，有效地避免了微裂纹的形成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法技术领域[0001] 本发明涉及激光冲击强化加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法。 背景技术[0002] 激光冲击强化技术是利用高能束激光诱导的等离子体冲击波与材料发生超高应变率交互作用时使材料表面发生改性的激光加工方法。由于晶粒细化、位错密度增加、残余压应力场和硬化层的形成，激光冲击强化可以显著提高各类金属材料(如镍基合金、钛合金、铝合金、钢等)的抗磨损、抗疲劳、抗腐蚀能力。随着航空航天、核电领域对材料加工效率、表面质量等要求的不断提高，各类激光冲击强化技术也不断被提出。 [0003] 但是，传统的激光冲击强化技术需要再工件表面粘贴电胶带等吸收层来避免过渡烧蚀，这会大大降低零部件的加工效率。在一些特殊工况下，如核反应堆辐照水中，无法在部件表面粘贴吸收层。因此，亟需开发一种能够兼顾激光冲击强化效果，又能避免材料表面发生严重热损伤的新激光冲击强化工艺方法，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[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法。 [0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法，包括以下步骤： [0006] S1：对待强化材料表面进行清洁处理，并对清洁后的材料表面进行干燥； [0007] S2：将S1中处理后的材料表面覆盖水约束层，并使用毫焦级纳秒激光对材料表面进行无涂层激光冲击强化处理； [0008] S3：对强化后的材料进行清洁并干燥； [0009] S4：使用飞秒激光对S3中处理后的材料表面进行飞秒激光冲击强化，直至覆盖S2中材料表面已冲击强化区域； [0010] S5：对冲击强化完成后的材料进行清洁和干燥。 [0012] 进一步地，步骤S2中，首先将材料固定于激光器的平台上，通过水约束系统使得水冲在材料表面产生均匀的水膜，形成所述水约束层。 [0013] 进一步地，步骤S2中进行激光强化处理时，首先设置操控端激光冲击强化程序，设置无涂层激光冲击强化处理参数，随后采用上述设置参数对材料表面进行无涂层激光冲击强化，直至强化完成材料的待强化区域。 [0014] 进一步地，无涂层激光冲击强化处理参数包括激光光斑直径、激光能量、重频、搭接率以及冲击次数。 [0015] 进一步地，步骤S4中首先将材料固定于激光器的平台上，再调整飞秒激光强化焦点设定在材料表面，随后设定飞秒激光冲击强化处理参数，再通过上述设置参数对已冲击强化区域的材料表面进行飞秒激光冲击强化。 [0016] 进一步地，飞秒激光冲击强化处理参数包括飞秒激光能量、重频、搭接率以及扫描次数。 [0017] 进一步地，无涂层激光冲击强化和飞秒激光冲击强化均采用沿“弓”字型的轨迹往复进行。 [0018] 进一步地，步骤S1中对材料表面进行清洁和干燥处理后，再对材料的高度进行测量，以保证将激光焦点设置在样品表面。 [0019] 进一步地，飞秒激光的功率密度高于材料的损伤阈值。 [0020] 本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法：该方法操作便捷，采用毫焦级激光冲击强化技术在材料表面诱导形成塑形形变层，大大提高了材料的加工效率，再利用超快飞秒激光低热效应的特点，再进一步提高材料性能的基础上，对准该表面进行辐射，利用其去除效应，去除毫焦级激光冲击强化引入的微裂纹，大大提高了毫焦级激光冲击强化的适用性。该方法采用了毫焦级激光冲击强化诱导形成塑形形变层和飞秒激光冲击强化去除微裂纹的技术，大大提高了材料的加工效率，提高了表面质量，有效地避免了微裂纹的形成。附图说明 [0021] 图1为本发明中飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法的流程示意图； [0022] 图2为本发明实施例提供的飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法强化后深度方向的硬度分布图； [0023] 图3为本发明中实施例提供的飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法处理前的表面形貌图； [0024] 图4为本发明中实施例提供的飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法处理后的表面形貌图。 具体实施方式[0025] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。 [0026] 如图1所示，一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法，包括以下步骤： [0027] S1：对待强化材料表面进行清洁处理，并对清洁后的材料表面进行干燥，随后再对材料的高度进行测量，以保证将激光焦点设置在样品表面。 [0028] 进行清洁处理时，首先将待强化材料放入超声波清洗机中进行清洗，随后将其取出，再使用无水乙醇溶液对材料表面进行清洗，然后进行干燥处理。 [0029] S2：将S1中处理后的材料表面覆盖水约束层。具体地，首先将材料固定于激光器的平台上，通过水约束系统使得水冲在材料表面产生均匀的水膜，形成所述水约束层。 [0030] 随后使用毫焦级纳秒激光对材料表面进行无涂层激光冲击强化处理，进行激光强化处理时，首先设置操控端激光冲击强化程序，设置无涂层激光冲击强化处理参数，包括激光光斑直径、激光能量、重频、搭接率以及冲击次数，随后采用上述设置参数对材料表面进行无涂层激光冲击强化，直至强化完成材料的待强化区域。 [0031] 为提高加工效率，毫焦级激光冲击强化的激光频率在50‑500Hz。无涂层激光冲击强化过程所采用的激光能量在10mJ‑200mJ，远小于常规激光冲击强化的焦耳级能量，因此强化过程中烧蚀作用较小，可取消常规激光冲击强化过程中的吸收层，大大提高了激光冲击强化的加工适用性。 [0032] S3：对强化后的材料进行清洁并干燥。 [0033] S4：使用飞秒激光对S3中处理后的材料表面进行飞秒激光冲击强化，直至覆盖S2中材料表面已冲击强化区域，飞秒激光的功率密度高于材料的损伤阈值，优选地高于损伤阈值的10％，进而降低材料的表面烧蚀。 [0034] 具体地，飞秒激光冲击强化处理参数包括飞秒激光能量、重频、搭接率以及扫描次数。首先将材料固定于激光器的平台上，再调整飞秒激光强化焦点设定在材料表面，随后设定飞秒激光冲击强化处理参数，再通过上述设置参数对已冲击强化区域的材料表面进行飞秒激光冲击强化，直至材料表面微裂纹等有害物质全部去除。 [0035] S5：对冲击强化完成后的材料进行清洁和干燥。 [0036] 实施例：采用上述强化方法对材料为GH4169镍基高温合金进行强化处理，具体如下： [0037] 待强化的零件选用的材料为GH4169镍基高温合金，厚度2mm，待强化区域为12mm×12mm，先进行无涂层激光冲击强化处理，再进行飞秒激光强化。激光冲击强化的路劲呈“弓”字型往复。实验过程中采用的毫焦级激光冲击强化具体参数如下：波长为532nm,激光脉冲宽度为10ns，光斑直径为0.4mm，重复率为50Hz，冲击次数为2次。实验过程中所采用的飞秒激光器的具体参数为：波长为1030nm,激光脉冲宽度为290ns，光斑直径为0.02mm，重复率为 1000kHz，冲击次数为2次。 [0038] 如图2至图3所示，开展毫焦级激光与飞秒激光复合冲击强化实验，冲击强化后，测量材料表面形貌、硬度及影响层深度，具体操作方式如下： [0039] S1：将试件放入超声波清洗机中对其进行5min的清洗，随后将其取出，使用无水乙醇溶液对试件表面进行清洗，然后进行干燥处理； [0040] S2：将S1中已经获得的已清洗和干燥的试件固定于激光器的平台上，置于水约束系统中，调整出水口与试件的角度和距离，使得水冲在试件上能够产生一个均匀的水膜，调整水膜厚度为1‑2mm； [0041] 进入操控端激光冲击强化程序，设置激光能量为50mJ，采用2次冲击，确定激光冲击强化的速度，以保证50％的搭接率，沿着“弓”字型的轨迹对试件进行毫焦级激光冲击强化，直到强化完试件的待强化区域； [0042] S3：将试件进行清洗并干燥； [0043] S4：将S3中已经获得的已清洗和干燥的试件固定于激光器的平台上，调整飞秒激光聚焦至处理后的试件表面； [0044] 进入操控端激光冲击强化程序，设置飞秒激光功率为6W，采用4次冲击，确定激光冲击速度，以保证较好的去除效果，对S2中已经冲击强化的区域，沿着“弓”字型的轨迹往复进行飞秒激光冲击强化，直至覆盖S2中已冲击强化区域，全部去除材料表面微裂纹等有害物质。 [0045] S5：清洗和干燥试件； [0046] 完成上述毫焦级激光和飞秒激光复合的冲击强化后，观察试件表面没有微裂纹等有害物质，对强化的试件进行测量，发现经过复合冲击强化后试件的显微硬度得到了明显的提升，表面硬度大于500HV，影响层深度达到0.4mm，如图3至图4所示，横坐标代表深度方向的值，单位为mm，纵坐标代表硬度值，单位为HV，为了避免偶然性，同一深度每次取三个点测试其显微硬度，最后得到三条沿深度方向的硬度分布曲线。如图3至图4所示，经过复合冲击强化以后，试件的表面质量得到了大大的提高。 [0047] 通过对以上的实施例可以得知，本发明专利所提供的一种飞秒激光叠加无涂层激光冲击强化的复合强化方法，实现了兼具强大影响层深度和高的表面质量的冲击强化效果，并且降低了表面烧蚀作用，大大的提升了表面质量和激光冲击强化技术的适用性。 |
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