一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法技术

本发明专利技术涉及一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其包括：向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；向工件待强化区域喷射水约束层材料，使得水层均匀覆盖待强化区域；开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；重复上述步骤，完成对工件不同区域的激光冲击强化。本发明专利技术中通过实时喷涂吸收层材料确保激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，以避免传统方法因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而降低连续激光冲击作业的可靠性。剥离而降低连续激光冲击作业的可靠性。剥离而降低连续激光冲击作业的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法


[0001]本专利技术涉及表面改性
，尤其涉及一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法。

技术介绍

[0002]工业大型复杂工件往往具备尺寸大、质量大及非规则曲面多等特征，传统的渗碳、电镀或热喷涂等表面改性技术无法实现大型复杂工件的局部精确高效强化作业。激光冲击强化是一种利用高功率密度、低脉宽激光束诱导产生的等离子体冲击力学效应对待强化材料进行改性处理的新技术。相比于传统的淬火等表面强化技术，激光冲击强化工艺对于材料表面几乎不会产生热效应，具备清洁环保、作业效率高及可控性高等优势特征，可在材料表层产生高残余压应力硬化层，进而显著提升工件表层的强度、硬度及摩擦学性能。因此，激光冲击强化工艺，被认为是一种卓越的表面改性技术方法，逐步应用于航空航天、海洋船舶、机车制造及军工领域。
[0003]值得注意的是，传统室温环境下的激光冲击作业，在材料表面产生的残余压应力硬化层深度较浅，且在复杂的外界环境及内在交变载荷作用下，残余压应力容易释放。因此，如何进一步提升激光冲击的强化效果，获得具备优异强度及塑性的结构件，这成为制约激光冲击技术在材料表面改性
进一步发展及应用的技术瓶颈之一。动态应变时效可增加由变形产生的位错密度，当材料处在动态应变时效温度时，溶质原子的扩散有利于位错形核，动态应变时效中溶质原子对位错的钉扎作用会导致加工硬化，位错结构的稳定性提高，激光诱导残余压应力更稳定。动态析出是指在高温塑性变形过程中会有大量的纳米级沉淀相析出，塑性变形产生的位错会对沉淀相的析出产生积极作用，与静态析出相比，动态析出更加有利于加工硬化。因此，在激光冲击作业过程中，通过引入加热激光器，进行热源辅助激光冲击强化，有望通过动态应变时效及动态析出进一步提升激光冲击作业的可靠性。
[0004]目前已有针对于热源辅助激光冲击强化工艺的专利报道，如公开号为CN110578047A的中国专利技术专利公开了一种高温激光冲击强化装置与方法，通过快速夹紧装置将待强化工件夹紧并置于保护罩内，利用加热平台对整个工件进行加热处理，但也存在如下缺点：(1)上述专利提供的强化方法仅适用于小型工件，针对大型复杂结构件的强化效果不佳，无法实现大型结构件的局部精确强化；(2)上述专利所述装置结构复杂，作业成本高昂，无法在工程领域广泛推广及应用。公开号为CN101962710B的中国专利技术专利公开了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，在激光冲击作业前，在工件表面均匀预置吸收层，再利用高功率高波段连续激光对工件待强化区域进行辅助加热，同步采用高功率脉冲激光对待强化区域进行冲击强化，但也存在如下缺点：(1)高功率高波段连续加热激光能耗过大；(2)预置的吸收层在脉冲激光的单次冲击作业后，由于等离子体压力冲击波作用，吸收层会发生过度剥离，在进行相邻区域的激光冲击强化作业时，往往会因为吸收层覆盖区域的减少，影响激光冲击作业的强化效果。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术公开一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，旨在解决现有热源辅助激光冲击强化技术中无法实现大型复杂结构件局部精确强化、无法解决脉冲激光诱导产生的等离子冲击波对石墨吸收层的过作用问题。
[0006]具体技术方案如下：
[0007]一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
[0008]A)向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；
[0009]B)开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；
[0010]C)向工件待强化区域喷射水约束层，使得水层均匀覆盖待强化区域；
[0011]D)开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；
[0012]E)向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；
[0013]F)重复步骤A)
‑
E)，完成对工件不同区域的激光冲击强化。
[0014]上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤A)中，吸收层材料为石墨、黑漆或两种材料的混合物，吸收层的厚度不小于100nm。
[0015]上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤B)中，低波段连续激光器的激光波长为300
‑
800nm，低波段连续激光器的加热温度高于200℃。
[0016]上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤C)中，约束层的厚度大于100μm。
[0017]上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤D)中，脉冲激光器为毫秒、纳秒、皮秒、飞秒或阿秒激光器产生的脉冲激光，且单脉冲能量不小于1mJ。
[0018]上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤E)中，高压气流介质为压缩空气、氮气、氦气或氩气中的一种，或是上述两种或多种气体的混合气；高压气流的压强不小于0.5MPa。
[0019]本专利技术的强化机理如下：
[0020]连续加热激光器发射的低波段激光束在与吸收层及工件待强化区域材料持续作用过程中除加速吸收层材料固化外还使得工件待强化区域材料温度升高至动态应变时效温度。脉冲激光器发射的脉冲激光束与吸收层材料相互作用的同时诱导产生向工件厚度方向传播的等离子体冲击波，上述等离子波在水约束层的约束作用下产生GPa级别的冲击压力，以使得材料发生塑性变形外还在工件表面产生残余压应力硬化层。单次激光冲击强化作业结束后通过采用高压气体去除工件表面残余的水层，避免因残留水层过多造成吸收层材料涂覆困难，影响连续激光冲击作业效果。通过实时喷涂吸收层材料，确保了激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，避免了传统方法即预置吸收层材料中因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而引起的连续激光冲击作业可靠性低的问题。
[0021]由于动态应变时效可增加由变形产生的位错密度，当材料处在动态应变时效温度时溶质原子的扩散有利于位错形核，动态应变时效中溶质原子对位错的钉扎作用会导致加工硬化，位错结构的稳定性得到提高，激光诱导残余压应力更稳定。又由于高温塑性变形过
程中会有大量的纳米级沉淀相析出，塑性变形产生的位错会对沉淀相的析出产生积极作用，与静态析出相比，动态析出更加有利于加工硬化。因此，在激光冲击作业过程中，通过引入加热激光器，进行热源辅助激光冲击强化，可通过动态应变时效及动态析出进一步提升激光冲击作业的可靠性。
[0022]上述方案的有益效果是：
[0023]1)通过实时喷涂吸收层材料，确保了激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，避免了传统方法即预置吸收层材料中因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而引起的连续激光冲击作业可靠性低的问题；
[0024]2)通过采用低波段连续加热激光器，可在较低的激光功率下，显著提升加热效率，加速吸收层材料的固化速率，并可提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，包括以下步骤：A)向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；B)开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；C)向工件待强化区域喷射水约束层，使得水层均匀覆盖待强化区域；D)开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；E)向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；F)重复步骤A)
‑
E)，完成对工件不同区域的激光冲击强化。2.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤A)中吸收层材料为石墨、黑漆或两种材料的混合物，吸收层的厚度不小于100nm。3.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡耀武，刘胜，张臣，张啸寒，赵哲，姜飞龙，谢琦，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：