一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法及裝置，實施該方法的結構包括高能脈沖激光、約束層、預緊力、吸收層、彈性接觸膜、微凹坑和金屬工件。其工作原理是吸收層在高能脈沖激光輻照下，產生等離子爆炸，等離子爆炸在約束層的約束作用下產生高壓沖擊波，在該沖擊波作用下，彈性接觸膜產生彈性變形，而待處理金屬工件表面產生塑性變形，當沖擊波作用消失后，待處理金屬工件表面將形成微凹坑，并產生高幅殘余壓應力層，在預緊力的作用下，彈性接觸膜回彈至初始狀態(tài)；當進行搭接處理時，在預緊力作用下，彈性接觸膜產生遮擋作用，使搭接區(qū)域的二次變形程度大幅度降低甚至不產生二次變形，從而大幅度降低由于搭接區(qū)域的二次塑性變形引起的表面粗糙度。采用本發(fā)明可以進一步提高激光沖擊波強化中金屬工件的疲勞性能，可應用于金屬表面的強化處理。
【專利說明】一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及特種加工領域，具體涉及一種激光沖擊波強化技術。

【背景技術】
[0002] 激光沖擊波強化是一種新型的材料表面強化技術，可以在金屬制件表面獲得高幅 殘余壓應力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術相比，其殘余壓應力層更深。21 世紀初，美國將激光沖擊技術應用到F10UF119和F414發(fā)動機葉片的強化和再制造上。
[0003] 激光沖擊波強化一般采用圓形激光光斑進行，激光沖擊波強化是通過強沖擊波對 金屬表面進行強化處理，因此，會在表面造成塑形變形，形成一個深度為數(shù)個微米的微凹 坑，當對大面積的區(qū)域進行激光沖擊強化時，為使整個處理區(qū)域得到強化，相鄰光斑之間必 須要有一定的搭接量，形成一定的重疊區(qū)域，在搭接區(qū)域形成二次塑性變形，從而使表面粗 糙度大幅上升，這在很大程度上抵消了由殘余壓應力引起的疲勞壽命提高。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法及裝置， 以降低在對大面積區(qū)域進行激光沖擊波強化時，由于搭接區(qū)域的二次塑性變形引起的表面 粗糙度，從而進一步提高待處理金屬工件疲勞性能。
[0005] 為了解決以上技術問題，本發(fā)明采用的具體技術方案如下： 一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于：利用吸收層（4)在高能 脈沖激光（1)輻照下，產生等離子爆炸，等離子爆炸在約束層（2)的約束作用下產生高壓沖 擊波；在所述沖擊波作用下，彈性接觸膜（5)產生彈性變形，使待處理金屬工件表面產生塑 性變形，當沖擊波作用消失后，待處理金屬工件（7)表面將形成微凹坑￠)，并產生高幅殘 余壓應力層，在預緊力（3)的作用下，彈性接觸膜（5)回彈至初始狀態(tài)，當進行搭接處理時， 在預緊力（3)作用下，彈性接觸膜（5)產生遮擋作用，使搭接區(qū)域（8)的二次變形程度大幅 度降低甚至不產生二次變形，從而大幅度降低由于搭接區(qū)域（8)的二次塑性變形引起的表 面粗糙度。
[0006] 所述的彈性接觸膜（5)為金屬薄膜，厚度為5(Γ150 μ m，硬度高于金屬工件（7);在 應變率高達106s4的情況下，彈性接觸膜（5)的動態(tài)屈服強度大于金屬工件（7)的雨貢紐 極限（HEL);彈性接觸膜（5)的下表面經拋光處理。
[0007] 所述的預緊力（3)其大小必須保證在激光沖擊波強化過程中，吸收層（4)、彈性接 觸膜（5)和金屬工件（7)之間不產生相對滑移。
[0008] 所述的高能脈沖激光（1)的脈寬范圍為l(T30nS，功率密度范圍為lO^KTGW/cm 2， 高能脈沖激光（1)產生的沖擊波的峰值壓力小于彈性接觸膜（5)的動態(tài)屈服強度，且大于 金屬工件（7)的雨貢紐極限HEL。
[0009] 實施所述的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法的裝置，其特征在于： 包括從上到下依次覆蓋在金屬工件（7)待處理表面上的高能脈沖激光（1)、約束層（2)、預 緊力（3)、吸收層（4)、彈性接觸膜（5)和金屬工件（7);約束層（2)、吸收層（4)和彈性接觸 膜（5)，吸收層（4)、彈性接觸膜（5)和金屬工件（7)通過預緊力（3)依次緊密貼合。
[0010] 本發(fā)明的工作原理為：吸收層在高能脈沖激光輻照下，產生等離子爆炸，等離子爆 炸在約束層的約束作用下產生高壓沖擊波，在該沖擊波作用下，彈性接觸膜產生彈性變形， 而待處理金屬工件表面產生塑性變形，當沖擊波作用消失后，待處理金屬工件表面將形成 微凹坑，并產生高幅殘余壓應力層，而彈性接觸膜回彈至初始狀態(tài)，當進行搭接處理時，在 預緊力作用下，由于彈性接觸膜的遮擋作用，搭接區(qū)域的二次變形程度大幅度降低甚至不 產生二次變形，從而大幅度降低由于搭接區(qū)域的二次塑性變形引起的表面粗糙度的大幅度 提1?。
[0011] 本發(fā)明具有的有益效果。本發(fā)明通過在吸收層和金屬工件之間放置一彈性接觸膜 和精確控制高能脈沖激光產生的高壓沖擊波的峰值壓力，保證了金屬工件表面產生激光沖 擊波強化效果而彈性接觸膜仍然回彈至初始狀態(tài)，在預緊力的作用下，在對大面積區(qū)域進 行激光沖擊波強化時，搭接區(qū)域的二次變形程度大幅度降低甚至不產生二次變形，大幅度 降低了激光沖擊波強化的表面粗糙度，可以進一步提高待處理金屬工件的疲勞性能；彈性 接觸膜的硬度高于待處理金屬，并且其下表面經拋光處理，在高壓沖擊波作用下，金屬工件 的粗糙表面可以得到一定程度的拋光。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法示意圖； 圖中：1高能脈沖激光2約束層3預緊力4吸收層5彈性接觸膜6微凹坑7金屬工 件8搭接區(qū)域。
[0013] 圖2為本發(fā)明搭接方式下激光沖擊波強化以及粗糙度測量基準線示意圖。
[0014] 圖中：9測量基準線。

【具體實施方式】
[0015] 為更好的闡述本發(fā)明的實施細節(jié)，下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說 明。
[0016] 本發(fā)明的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法如圖1所示，包括工作臺 高能脈沖激光1、約束層2、預緊力3、吸收層4、彈性接觸膜5、微凹坑6、金屬工件7和搭接 區(qū)域8。約束層2、吸收層4、彈性接觸膜5依次覆蓋在金屬工件7待處理表面上。吸收層 4、彈性接觸膜5和金屬工件7通過預緊力3緊密貼合，不產生相對位移。
[0017] 在下述實施實例中，高能脈沖激光1脈寬為10ns，激光光斑直徑為3mm，功率密度 為3X 109GW/cm2,高能脈沖激光1產生的峰值壓力約為2GPa ;約束層2為流動的去離子水 膜，其厚度約為1mm ;彈性接觸膜5的材質為60Si2CrVA，其硬度為700HV，動態(tài)屈服強度約為 2. 8GPa ;金屬工件7材質為LY2鋁合金，其硬度為130HV，雨貢紐極限HEL約為lGPa，初始表 面粗糙度為1.83 μ m。
[0018] 實施實例一 本實例進行了兩組對比試驗，第一組采用常規(guī)的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚 度為150 μ m的鋁箔；第二組采用本發(fā)明的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚度為100 μ m 的鋁箔，彈性約束層厚度為50 μ m。兩組試驗中相鄰激光光斑中心之間的距離為5mm。
[0019] 圖2是本實施實例中搭接方式下激光沖擊波強化以及粗糙度測量基準線，測得常 規(guī)激光沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線測得的線粗糙度為3. 27 μ m ;本發(fā)明的激光 沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線9測得的線粗糙度為0. 65 μ m，粗糙度大幅度降低。
[0020] 實施實例二 本實例進行了兩組對比試驗，第一組采用常規(guī)的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚 度為150 μ m的鋁箔；第二組采用本發(fā)明的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚度為100 μ m 的鋁箔，彈性約束層厚度為50 μ m。兩組試驗中相鄰激光光斑中心之間的距離為4. 2mm。
[0021] 2測得常規(guī)激光沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線測得的線粗糙度為 4. 46 μ m;本發(fā)明的激光沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線9測得的線粗糙度為 0. 89 μ m，粗糙度大幅度降低。
[0022] 實施實例三 本實例進行了兩組對比試驗，第一組采用常規(guī)的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚 度為150 μ m的鋁箔；第二組采用本發(fā)明的激光沖擊波強化方法，吸收層4為厚度為100 μ m 的鋁箔，彈性約束層厚度為50 μ m。兩組試驗中相鄰激光光斑中心之間的距離為3mm。
[0023] 測得常規(guī)激光沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線測得的線粗糙度為 5. 62 μ m ;本發(fā)明的激光沖擊波強化方法下，沿圖2的測量基準線9測得的線粗糙度為 1.47μπι，粗糙度大幅度降低。
【權利要求】
1. 一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于：利用吸收層（4)在高 能脈沖激光（1)輻照下，產生等離子爆炸，等離子爆炸在約束層（2)的約束作用下產生高壓 沖擊波；在所述沖擊波作用下，彈性接觸膜（5)產生彈性變形，使待處理金屬工件表面產生 塑性變形，當沖擊波作用消失后，待處理金屬工件（7)表面將形成微凹坑￠)，并產生高幅 殘余壓應力層，在預緊力（3)的作用下，彈性接觸膜（5)回彈至初始狀態(tài)，當進行搭接處理 時，在預緊力（3)作用下，彈性接觸膜（5)產生遮擋作用，使搭接區(qū)域（8)的二次變形程度 大幅度降低甚至不產生二次變形，從而大幅度降低由于搭接區(qū)域（8)的二次塑性變形引起 的表面粗糙度。
2. 如權利要求1所述的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的彈性接觸膜（5)為金屬薄膜，厚度為5(Γ150 μ m，硬度高于金屬工件（7);在應變率 高達106S4的情況下，彈性接觸膜（5)的動態(tài)屈服強度大于金屬工件（7)的雨貢紐極限 (HEL);彈性接觸膜（5)的下表面經拋光處理。
3. 如權利要求1所述的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的預緊力（3)其大小必須保證在激光沖擊波強化過程中，吸收層（4)、彈性接觸膜（5) 和金屬工件（7)之間不產生相對滑移。
4. 如權利要求1所述的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的高能脈沖激光（1)的脈寬范圍為l(T30ns，功率密度范圍為lO^KTGW/cm2,高能脈沖 激光（1)產生的沖擊波的峰值壓力小于彈性接觸膜（5)的動態(tài)屈服強度，且大于金屬工件 ⑵的雨貢紐極限HEL。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種激光沖擊波強化中降低表面粗糙度的方法的裝置，其特 征在于：包括從上到下依次覆蓋在金屬工件（7)待處理表面上的高能脈沖激光（1)、約束層 (2)、預緊力（3)、吸收層（4)、彈性接觸膜（5)和金屬工件（7);約束層（2)、吸收層（4)和彈 性接觸膜（5)，吸收層（4)、彈性接觸膜（5)和金屬工件（7)通過預緊力（3)依次緊密貼合。
【文檔編號】C21D10/00GK104046769SQ201410250736
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權日:2014年6月9日
【發(fā)明者】戴峰澤, 張永康 申請人:江蘇大學