一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法技术

本发明专利技术涉及激光加工领域，具体涉及一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法。先将制备好的金属合金试样进行高温退火处理，再沿试样上表面的中心线进行切割，获得所需沿厚度方向具有梯度晶粒的退火试样。接着对具有梯度晶粒的截面进行激光冲击强化，分别测量多次激光冲击后试样的晶粒尺寸。本方法可以得到具有梯度晶粒的试样，并直观地显示出梯度晶粒经过多次激光冲击后的晶粒尺寸及变化过程，关键是根据不同尺寸晶粒对激光冲击波的响应情况，提高激光冲击强化的作用效果，从而增强对试样的处理效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工领域，具体涉及一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法。
技术介绍
激光冲击强化(lasershockpeening/processing,LSP)是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，同时在冲击区域产生残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能。退火处理与激光冲击强化处理都会显著使材料微观组织发生变化。研究表明，高温退火处理可以改变合金晶粒尺寸，温度与保温时间不同，所得到的晶粒尺寸也不同。在热处理条件下，得到沿厚度方向具有梯度晶粒的试样，再对试样进行多次激光冲击强化。但不同尺寸的晶粒可能对激光冲击波的响应也不同，故无法得知梯度晶粒经过激光冲击后的具体响应情况，而对激光冲击波的响应情况不同，激光冲击强化作用对试样的处理效果也不同。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法。本方法主要是先将制备好的金属合金试样进行高温退火处理，再沿试样上表面的中心线进行切割，获得所需沿厚度方向具有梯度晶粒的退火试样；接着对具有梯度晶粒的截面进行激光冲击强化，分别测量多次激光冲击后试样的晶粒尺寸，主要是根据不同尺寸晶粒对激光冲击波响应情况，提高激光冲击强化的作用效果，从而增强对试样的处理效果。其具体实步骤如下：(1)制备N个需要进行退火的试样，并对试样进行1～N标号，且其中N≥2。(2)将标号试样一起放入坩埚中，置于电阻炉中进行退火处理，退火温度为A，保温时间为B，处理完后随炉冷却，其中退火温度450℃≤A≤650℃，保温时间1.5h≤B≤2h。(3)全部退火试样沿试样上表面的中心线进行切割，从而得到两个切割面上沿外表面到中心晶粒尺寸逐渐变小的试样，作为冲击试样。(4)选取1号退火试样的其中一个作为基体试样，并采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量切割面上梯度晶粒的尺寸。(5)选取2号退火试样的其中一个对切割面上规格为C的中间矩形区域进行一次激光冲击，其中规格C为20×15mm的中间矩形区域，并采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量经过一次激光冲击后中间区域梯度晶粒的尺寸，激光冲击强化参数如下：光斑直径为3mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J，横向和纵向搭接率均为50％。(6)重复步骤(5)，选取N号退火试样对切割面上规格为C的中间矩形区域进行1次激光冲击，其中规格C为20×15mm的中间矩形区域，并采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量经过1次激光冲击后中间区域梯度晶粒的尺寸，激光冲击强化参数如下：光斑直径为3mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J，横向和纵向搭接率均为50％。(7)观察并对比退火、多次激光冲击后的晶粒尺寸及变化过程，得出不同尺寸晶粒对激光冲击波的响应情况。本专利技术有益效果：通过退火处理在同一试样上获得梯度晶粒，再通过多次激光冲击强化，使梯度晶粒被细化，主要是可以得到不同尺寸晶粒对激光冲击波的响应情况，从而可以根据响应情况提高激光冲击强化的作用效果，增强对试样的处理效果。附图说明图1为退火试样示意图。图2为冲击试样冲击区域示意图。图3为冲击区域梯度晶粒示意图。图4为激光冲击路径。图5为效果示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，但本专利技术不应仅限于实施例。本实施例所采用的试样，如图1所示，其中长L＝40mm，宽D＝20mm，厚H＝20mm，试样基体材料为黄铜。一种使用上述测量方法进行处理的试样的实例，其步骤为：(1)制备4个需要进行退火的试样，分别标号1、2、3、4，试样如图1所示，长40mm，宽20mm，厚20mm。(2)将标号试样一起放入坩埚中，置于600℃的电阻炉中进行退火处理，保温1.5h，处理完后随炉冷却。(3)4个退火试样沿试样上表面的中心线A-A进行切割，从而得到两个切割面上沿外表面到中心晶粒尺寸逐渐变小的试样，作为冲击试样，如图2所示。(4)选取1号退火试样的其中一个作为基体试样，并采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量切割面上中间矩形区域C的梯度晶粒尺寸，其中长l＝20mm，宽d＝15mm，如图3所示。(5)选取2号退火试样的其中一个对切割面上中间矩形区域C进行一次激光冲击，冲击路径如图4所示，冲击后采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量经过一次激光冲击后C区域梯度晶粒的尺寸，其中激光冲击强化用的脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，脉宽为10ns，脉冲能量5J，横向纵向搭接率均为50％。(6)选取3号退火试样的其中一个对切割面上中间矩形区域C进行两次激光冲击，冲击路径如图4所示，冲击后采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量经过两次激光冲击后C区域梯度晶粒的尺寸，其激光冲击参数同步骤(4)一致：脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，脉宽为10ns，脉冲能量5J，横向纵向搭接率均为50％；(7)选取4号退火试样的其中一个对切割面上中间矩形区域C进行三次激光冲击，冲击路径如图4所示，冲击后采用平均线性插值法ASTME112-96(2004)测量经过三次激光冲击后C区域梯度晶粒的尺寸，其激光冲击参数同步骤(4)一致：脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，脉宽为10ns，脉冲能量5J，横向纵向搭接率均为50％。(8)观察并对比1号基体试样、2号一次冲击试样、3号二次冲击试样、4号三次冲击试样的晶粒尺寸及变化过程，得到不同尺寸晶粒对激光冲击波的响应情况，并分别进行残余压应力值测试。经过上述方法对黄铜试样进行退火后激光冲击强化处理。晶粒尺寸结果如表1所示，对于黄铜试样的晶粒尺寸，第一组晶粒尺寸变化幅度最大，第三组晶粒尺寸变化幅度最小。从99.5μm到60.4μm变化最大，而5.3μm到4.9μm基本不再变化。残余压应力值结果如表2所示，初始状态为56.7μm的晶粒，在经过三次激光冲击强化后，对试样的处理效果最佳，明显提高了激光冲击强化的作用效果。表1为本文具体实施案例晶粒尺寸变化结果表表2为本文具体实施案例激光冲击强化后的残余压应力表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法，其特征在于：先将制备好的金属合金试样进行高温退火处理，再沿试样上表面的中心线进行切割，获得所需沿厚度方向具有梯度晶粒的退火试样，即沿外表面到中心晶粒尺寸逐渐变小；接着对具有梯度晶粒的截面进行激光冲击强化，提高激光冲击强化的作用效果，从而增强对试样的处理效果。

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法，其特征在于：先将制备好的金属合金试样进行高温退火处理，再沿试样上表面的中心线进行切割，获得所需沿厚度方向具有梯度晶粒的退火试样，即沿外表面到中心晶粒尺寸逐渐变小；接着对具有梯度晶粒的截面进行激光冲击强化，提高激光冲击强化的作用效果，从而增强对试样的处理效果。2.如权利要求1所述的一种基于梯度晶粒的激光冲击强化方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备N个需要进行退火的试样，并对试样进行1～N标号；(2)将标号试样一起放入坩埚中，置于电阻炉中进行退火处理，退火温度为A，保温时间为B，处理完后随炉冷却；(3)全部退火试样沿试样上表面的中心线进行切割，从而得到两个切割面上沿外表面到中心晶粒尺寸逐渐变小的试样，作为冲击试样；(4)选取1号退火试样的其中一个作为基体试样，并测量切割面上梯度晶粒的尺寸；(5)选取2号退火试样的其中一个对切割面上规格为C的中间矩形区域进行一次激光冲击，并测量切割面上梯度晶粒的尺寸；(6)重复步骤(5)，选取N...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，卢海飞，罗开玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32