一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法技术

本发明专利技术公开一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，包括如下步骤：提供含有至少一抛光面的碳化硼陶瓷试件；在碳化硼陶瓷试件的一抛光面覆盖吸收层，并在吸收层上施加约束层；将施加约束层的抛光面朝向激光束并对其进行激光冲击强化处理；其中，激光冲击强化处理采用波长为1064nm的激光器，脉冲20

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法


[0001]本专利技术涉及激光冲击强化
，尤其涉及一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法。

技术介绍

[0002]碳化硼材料因具有密度低、强度大、热稳定性好以及化学稳定性好的优势，常用于直升机的轻型装甲、坦克的防弹装甲。碳化硼陶瓷虽具备优良的抗侵彻性能，但是它断裂韧性低、脆性大，导致在其实际的应用中出现易破碎、抗多发打击性能弱等情况，在一定程度上限制了其应用，故高性能陶瓷的强韧化成为目前陶瓷材料研究的热点。
[0003]激光冲击强化技术是一种先进的表面强化技术。激光透过约束层照射在吸收层上，吸收层吸收激光能量产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量形成冲击波，冲击波向零件内部传播，从而在材料表层形成密集、稳定位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留高幅压应力，激光冲击强化诱导的残余压应力可以有效抑制裂纹扩展，提高材料的抗弯强度和断裂韧性。
[0004]激光冲击强化技术在金属和合金材料表面强化处理已取得工业化应用，成为一项成功的金属强化技术。但由于陶瓷材料大多易碎，并且抗热震性较差，现有的金属强化技术不能直接用于陶瓷。目前，有关陶瓷材料的激光冲击强化的研究较少，尚无系统的激光
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陶瓷相互作用的报道。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，有必要提供一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，以实现碳化硼陶瓷的高质量冲击强韧化，并避免由于激光冲击强化引起的整体结构变形和破损。
[0006]本专利技术提供一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，包括如下步骤：
[0007]提供含有至少一抛光面的碳化硼陶瓷试件；
[0008]在碳化硼陶瓷试件的抛光面覆盖吸收层，并在吸收层上施加约束层；
[0009]将碳化硼陶瓷试件的抛光面朝向激光束并对其进行激光冲击强化处理；其中，激光冲击强化处理采用波长在1064nm范围内的激光器，脉冲20
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50ns，激光的光斑直径为2
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4mm，单脉冲能量2
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7J，频率2
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5Hz，单脉冲激光光斑搭接率在37.5％
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62.5％，冲击次数为2次。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0011]本专利技术提供的碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，能够实现碳化硼陶瓷的高质量冲击强韧化，并避免由于激光冲击强化引起的整体结构变形和破损。
附图说明
[0012]图1是本专利技术提供的碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法一实施方式的工艺流程图；
[0013]图2是本专利技术提供的碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法所用装置图。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0015]请参阅图1，本专利技术提供一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，该碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法采用单脉冲光束在碳化硼陶瓷表面进行全表面覆盖冲击，包括如下步骤：
[0016]S1、提供含有至少一抛光面的碳化硼陶瓷试件；
[0017]S2、在碳化硼陶瓷试件的一抛光面覆盖吸收层，并在吸收层上施加约束层；
[0018]S3、将施加约束层的抛光面朝向激光束并对其进行激光冲击强化处理；其中，激光冲击强化处理采用波长为1064nm的激光器，脉冲20
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50ns，激光的光斑直径为2
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4mm，单脉冲能量2
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7J，频率2
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5Hz，单脉冲激光光斑搭接率在37.5％
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62.5％，冲击次数为2次；本专利技术中，需要说明的是，单脉冲能量不宜太大，当能量≥8J时，产生的冲击波过强将可能导致陶瓷背部层裂，当能量≥15J时，陶瓷容易碎裂。
[0019]本专利技术采用激光冲击技术首次对陶瓷表面进行强化，短脉冲(ns级)、高功率密度(GW/cm2)的激光照射到黑胶后可发生等离子体爆炸，从而形成GPa量级的冲击波，对碳化硼表面造成一定的位错。经激光冲击后，陶瓷表面明显粗糙度增大，随着激光的冲击，碳化硼表面塑性变形增加，可引入一定的压缩残余应力，使得碳化硼陶瓷表面的力学性能提高显著，断裂韧性与抗弯强度变大，在较高的循环应力下碳化硼陶瓷制成的部件仍然表现优良，这一专利技术有利于解决特种碳化硼陶瓷硬却脆的问题，将大大拓宽其应用思路。
[0020]本实施方式中，步骤S1具体为：将碳化硼陶瓷加工成长条状，并将其研磨抛光，获得碳化硼陶瓷试件。本专利技术中，在进行激光冲击强化前需要对碳化硼陶瓷表面磨平抛光，一是由于粗糙表面经过单脉冲激光加工后，不同区域表面性能差异明显，二是由于光滑的表面更利于做力学性能的测试。进一步地，上述碳化硼陶瓷试件的致密度大于98％，抛光面粗糙度Ra≤4μm。
[0021]本实施方式中，吸收层为黑胶。进一步地，黑胶为厚度为0.1mm的激光冲击强化专用PVC黑色胶带。本专利技术中，选择黑胶作为吸收层，能够有效地保护陶瓷表面，防止烧蚀，黑色胶带对激光的吸收效率高，增强冲击强化效果，且容易覆盖和去除。
[0022]本实施方式中，约束层为1～2mm厚的去离子水层。进一步地，上述去离子水需输出稳定，水流冲击方向与样品表面法线方向成30
°
至60
°
角。
[0023]本实施方式中，激光光束垂直地作用于样品表面，一般的，其他未提及的激光参数不受特别限制。
[0024]本实施方式中，选用的激光器为Nd：YAG激光器或Yb：YAG激光器。
[0025]在本专利技术的一些优选实施方式中，采用1064nm的Nd：YAG激光器，脉冲宽度为20ns，激光光斑直径为2
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4mm、频率2Hz，单脉冲能量为4
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7J，光斑搭接率50％
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62.5％。在上述参数范围内，激光冲击强化效果更为显著。优选地，光斑直径为3
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4mm，单脉冲能量为4.8
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5.6J。
[0026]本实施方式中，激光冲击强化处理后还包括，对碳化硼陶瓷试件进行表面清洗，除去吸收层。
[0027]实施例1
[0028]请参阅图2，碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，包括以下步骤：
[0029](1)将烧制好的碳化硼陶瓷(B4C陶瓷)加工成140mm
×
20mm
×
8mm的条状，在磨床上进行上下两面磨平(磨平面为140mm
×
20mm)，再将其中一面抛光至表面光洁度Ra为3.2μm；
[0030](2)在碳化硼陶瓷试件的抛光面完整地贴覆一层黑胶，在运动臂上调整夹具对碳化硼陶瓷试件进行夹持，使碳化硼陶瓷试件的抛光面朝向激光束，确保陶瓷样品已固定，采用激光器为1064nm的Nd：YAG激光器，设置参数脉冲宽度为20ns，光斑直径为2mm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，其特征在于，包括如下步骤：提供含有至少一抛光面的碳化硼陶瓷试件；在所述碳化硼陶瓷试件的一抛光面覆盖吸收层，并在所述吸收层上施加约束层；将施加所述约束层的抛光面朝向激光束并对其进行激光冲击强化处理；其中，所述激光冲击强化处理采用波长为1064nm的激光器，脉冲20
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50ns，激光的光斑直径为2
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4mm，单脉冲能量2
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7J，频率2
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5Hz，单脉冲激光光斑搭接率在37.5％
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62.5％，冲击次数为2次。2.根据权利要求1所述碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，其特征在于，所述提供含有至少一抛光面的碳化硼陶瓷试件的步骤具体为：将碳化硼陶瓷加工成长条状，并将其研磨抛光，获得碳化硼陶瓷试件。3.根据权利要求1所述碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，其特征在于，所述碳化硼陶瓷试件的致密度大于98％，抛光面粗糙度Ra≤4μm。4.根据权利要求1所述碳化硼陶瓷的激光冲击强化方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，陈贝迪，张金咏，王为民，傅正义，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：