一种铝合金表面强韧性的调控方法技术

本发明专利技术提供了一种铝合金表面强韧性的调控方法，利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；再使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。本发明专利技术利用“大能量激光喷丸‑高温保持‑小能量激光喷丸”工艺制备位错与细晶组织共存的微观结构，进而大幅增加铝合金表面强韧性。

A method to control the surface strength and toughness of aluminum alloy

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金表面强韧性的调控方法
本专利技术属于激光喷丸强化领域，特指一种铝合金表面强韧性的调控方法。
技术介绍
激光喷丸强化是一种有效的金属/合金表面强化方法，利用极高的冲击波压力(GPa级)诱发材料表面塑性变形，在材料表面产生高密度位错等晶格缺陷，显著提高材料的强度与硬度。但是，由于高密度位错对后续位错滑移的阻碍作用，激光喷丸强化普遍会降低材料的塑性与韧性，这将导致激光喷丸强化表面二次加工困难、延伸率下降、脆性裂纹萌生等一系列问题。如何调控激光喷丸强化表面的强度与韧性、实现激光喷丸强化表面强韧性的提高，是目前急需解决的关键技术问题。如申请号为201410177914.5的中国授权专利提出一种能显著提高航空铝合金材料抗振性能的方法及装置，首先通过激光温喷丸基于动态应变时效在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；喷丸完成后，迅速将工件至于5～8℃的水溶液中急剧冷却，降低位错湮灭以及晶粒长大过程，最终在室温下得到位错与细晶共存的微观组织。该专利可以增加铝合金的强度和韧性，但是存在以下缺点：(1)该方法是在高温的同时开展激光喷丸实验，传统约束层和吸收层不适用；(2)该方法中的高温保持时间与喷丸时间有关，因此难以控制加热时间，不利于控制晶粒细化程度；(3)该方法采用的温度为动态应变时效温度，不满足静态再结晶温度条件，因此晶粒细化程度较小。与本专利最为接近的是标题为《退火处理对激光冲击AZ31镁合金力学性能的影响》(杨根妹,张凌峰,何换菊.中国激光,2015,42(2)：0206002-1.)的文献，利用激光喷丸与退火处理提高了镁合金的拉伸强度与延伸率，但该技术存在以下缺点：退火处理后材料内的位错密度大幅降低，虽然韧性显著增加，但材料的强度相比退火前大幅降低。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种铝合金表面强韧性的调控方法，利用“大能量激光喷丸-高温保持-小能量激光喷丸”制备位错与细晶共存的表面组织，可以克服现有技术的不足，通过控制位错与细晶的体积分数大幅改善铝合金表面的强度与韧性。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种铝合金表面强韧性的调控方法，通过控制细晶的体积分数与位错调控铝合金表面的韧性与强度，包括以下步骤：(1)利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；(2)使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；(3)空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。进一步地，步骤(1)中激光喷丸强化塑性变形时的参数如下：激光能量范围为5～20焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为3～10次。进一步地，步骤(3)中激光喷丸处理在铝合金再结晶晶粒中产生位错时的参数如下：激光能量范围为3～5焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为1～3次。进一步地，在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储能低于再结晶的临界形变储能Es0，增加大能量激光强化的次数与激光能量，直到材料形变储能高于再结晶的临界形变储能Es0。进一步地，铝合金表面细晶的体积分数通过再结晶温度与保持时间调控，铝合金表面的位错密度通过高温保持后激光喷丸的激光能量与喷丸次数调控，即：若铝合金表面韧性不满足要求，增加步骤(2)中再结晶温度与保持时间并重复步骤(3)，直至韧性达到要求；若铝合金表面强度不满足要求，增加步骤(3)中激光喷丸的激光能量与喷丸次数，直至强度满足要求。进一步地，再结晶的临界形变储能为其中，γ为再结晶界面表面能，r为再结晶晶粒半径。进一步地，再结晶保温时间为0.5～1小时。进一步地，再结晶温度为其中，Q为再结晶激活能，A为材料常数，t为高温保持时间。进一步地，步骤(1)和步骤(3)中，激光喷丸时，采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层。本专利技术利用5～20焦耳的大能量激光对铝合金进行激光喷丸强化塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；再通过再结晶退火处理使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体。再利用3～5焦耳的小能量激光对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。利用“大能量激光喷丸-高温保持-小能量激光喷丸”工艺制备位错与细晶组织共存的微观结构，进而大幅增加铝合金表面强韧性。在处理过程中，可以根据处理后的材料的强度与韧性再进一步调整处理参数，通过控制位错与细晶的体积分数调控铝合金表面的强度与韧性。另外本专利技术绿色环保、无污染。附图说明图1为本专利技术所述一种铝合金表面强韧性调控方法的流程图。图2中(a)为大能量激光喷丸强化后获得高密度位错，(b)为高温保持再结晶后获得超细晶粒，(c)为小能量激光喷丸强化后获得高密度位错与超细晶粒共存的表面组织。图3为实施例一中喷丸强化后、再结晶后、喷丸强化后的金相图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术所述的铝合金表面强韧性的调控方法，主要是通过控制细晶的体积分数与位错调控铝合金表面的韧性与强度。首先，利用5～20焦耳的大能量激光对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，如图2(a)所示，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；其中激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为3～10次。再通过再结晶退火处理使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，如图2(b)所示。空冷至室温后，再利用3～5焦耳的小能量激光对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，如图2(c)所示，其中激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为1～3次。最终，获得位错与细晶共存的表面组织。在处理过程中，激光喷丸时，采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层。在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储能低于再结晶的临界形变储能Es0，增加大能量激光强化的次数与激光能量，直到材料形变储能高于再结晶的临界形变储能Es0。若低于再结晶的临界形变储能，铝合金在高温保持过程中不会产生再结晶，因此无法得到细晶组织。铝合金再结晶的临界形变储能为其中，γ为再结晶界面表面能，r为再结晶晶粒半径。还可以根据处理后的材料的强度与韧性再进一步调整处理参数，通过控制位错与细晶的体积分数调控铝合金表面的强度与韧性。铝合金表面细晶的体积分数通过再结晶温度与保持时间调控，铝合金表面的位错密度通过高温保持后激光喷丸的激光能量与喷丸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，通过控制细晶的体积分数与位错调控铝合金表面的韧性与强度，包括以下步骤：/n(1)利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；/n(2)使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温进行再结晶退火处理，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；/n(3)空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。/n

【技术特征摘要】
1.一种铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，通过控制细晶的体积分数与位错调控铝合金表面的韧性与强度，包括以下步骤：
(1)利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；
(2)使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温进行再结晶退火处理，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；
(3)空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。


2.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，步骤(1)中激光喷丸强化塑性变形时的参数如下：激光能量范围为5～20焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为3～10次。


3.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，步骤(3)中激光喷丸处理在铝合金再结晶晶粒中产生位错时的参数如下：激光能量范围为3～5焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为1～3次。


4.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪凯，汪卉，周建忠，黄舒，李礼，赵曜民，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32