一种基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置与流程

本发明涉及表面强化领域以及激光加工技术领域。尤其是一种利用激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置。

背景技术：

深冷激光冲击技术利用超低温-高应变率耦合效应，可以显著改善材料的微观组织以及残余应力状态，大幅提高材料的抗疲劳性能以及耐磨耐蚀性能。但是受到吸收层与约束层的影响，深冷激光冲击过程中依然存激光能量利用率低以及冲击波压力过低等关键技术问题。

目前，激光冲击强化过程中的约束层可以分为刚性约束层与柔性约束层两大类。常见的刚性约束层为光学玻璃，例如专利号为CN201110422502的发明专利提出一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，其使用K9玻璃作为约束层，实现了深冷激光冲击强化，但仍存在以下缺点：(1)低温下空气中的水份会吸附在光学玻璃上形成水滴或冰粒，降低了光学玻璃的透光率，从而激光能量利用率严重降低；；(2)低温下，K9玻璃在冲击波压力作用下极易出现裂痕或完全破碎，影响激光冲击波的约束效果。常见的柔性约束层包括水，硅油等透明物质，例如专利号为CN200510094810与CN201310527671的发明专利，分别使用水帘与硅油作为激光冲击强化技术的约束层。水在常温环境中以及硅油在高温环境下可以获得较好的冲击强化效果，但是这些柔性介质在低温下的流动性受到限制，甚至冷凝为固态，透光率严重降低，约束效果也显著下降。

由于液氮是无色透明的介质，具有较高的透光率，因此专利号CN105063284A的专利申请使用液氮作为制冷剂的同时充当约束层，提出一种高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统，通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，提高了激光的透光效率，进而提高了冲击波压力。但仍存在以下不足：(1)吸收层为铝箔，搭接率较高或重复多次冲击时已喷丸区域由于铝箔汽化会降低其激光吸收率，进而降低激光能量利用率并削弱冲击波压力；(2)冲击波压力完全依赖于激光束的功率密度，受激光器能量的限制，该方法难以适用于超硬材料的表面强化处理。

本发明提出一种利用激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置，可以突破吸收层与约束层的限制，进而获得比传统激光冲击强化方法更高的激光能量利用率以及更高的冲击波压力。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现利用激光诱导高温等离子体进而产生液氮气化膨胀的表面强化方法及装置，也未发现相关方法在深冷激光冲击强化领域应用的相关报道，本发明为首次提出该方法及装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提出一种利用激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置，可有效避免传统激光冲击强化技术在液氮环境中液氮蒸汽对激光的阻碍作用，同时将激光诱导的等离子体膨胀压力与液氮汽化压力相结合，显著提高金属表面的冲击波压力，进而有效增加表面强化效果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法，其特征在于，利用高功率激光束照射掺杂吸收体粉末的液氮，局部吸收体粉末吸收高功率激光迅速气化产生高温等离子体，高温等离子体迅速膨胀的同时促使周围液氮急速气化膨胀，形成高速高压气流，等离子体膨胀压力以及液氮气化膨胀压力使汽化腔压力迅速上升，在低温环境下冲击金属表面实现表面强化。

进一步地，利用高功率激光束多次冲击金属表面不同区域，可实现试样表面的区域强化。

进一步地，所述高功率激光束为脉冲激光束，通过多个激光脉冲实现汽化腔连续蓄压，即多个激光脉冲诱导的等离子体压力以及液氮气化压力反复叠加，提高试样表面的冲击波压力，提高冲击强化效果。

进一步地，所述吸收体粉末为平均直径不超过200μm的黑漆粉末或平均直径不超过100μm的铝粉；掺杂吸收体粉末的液氮中粉末与液氮的体积比在0.1～0.3之间。

进一步地，高功率激光束为纳秒激光束，脉宽10～100ns，低温环境保持在-85～-176℃。

所述的深冷激光冲击强化方法的深冷激光冲击强化装置，其特征在于，包括激光冲击系统、液氮循环系统和控制系统，所述激光冲击系统包括激光器、全反镜、深冷冲击头、垂直工作台、水平支架、运动平台、手动调节旋钮、工作台，运动平台装在工作台上，激光器水平放置，所述全反镜位于激光器所发射激光的光路上、且与水平面呈45°设置，激光经全反镜反射后垂直进入深冷冲击头，所述深冷冲击头通过水平支架固定在垂直工作台上，所述垂直工作台在竖直方向上的高度能够调节；

液氮循环系统包括由液氮输送管路22依次连通的高压液氮罐、混粉装置、深冷冲击头、深冷槽、氮气分离装置、氮气液化装置，所述氮气液化装置与液氮罐之间也由液氮输送管路连通，深冷槽固定于运动平台上，所述混粉装置上安装用于储存吸收体粉末的V型漏斗，所述V型漏斗的漏斗嘴延伸至混粉装置内，V型漏斗中间设置有延伸至圆柱状漏斗嘴内的螺杆，所述螺杆通过位于V型漏斗顶部的伺服电机驱动旋转；

所述控制系统包括计算机、温度传感器、电磁流量阀，温度传感器、电磁流量阀均与计算机相连，所述温度传感器设置在深冷槽内、且位于待加工试样表面，用于采集试样表面的温度；电磁流量阀设置在深冷槽与氮气分离装置之间的液氮输送管路上，计算机根据设定温度调节电磁流量阀的流量控制液氮液面高度，进而实现试样表面温度的控制；激光器、运动平台、垂直工作台、伺服电机均与计算机连接，所述激光器所产生激光的参数、垂直工作台在竖直方向上的高度、运动平台的运动轨迹、螺杆螺旋送粉效率均通过计算机控制；所述运动平台一端还设置手动旋钮，用于手动调节运动平台的起始位置。

进一步地，所述混粉装置内部设有蛇形通道。

进一步地，所述深冷冲击头包括主体、外端盖、套筒、内端盖、第一耐高压玻璃、第二耐高压玻璃，所述主体具有相连通的激光腔和汽化腔，所述第一耐高压玻璃设置在激光腔和汽化腔之间、并将激光腔和汽化腔隔开，所述套筒装于激光腔内，内端盖装在外端盖上、并将第二耐高压玻璃限位在内端盖与外端盖之间，所述外端盖螺纹连接在激光腔开口处，外端盖与套筒、第二耐高压玻璃之间以及激光腔与第一耐高压玻璃之间均设置密封垫圈，使激光腔成为以密闭的空间，所述激光腔侧壁上设有与抽气机连通的抽气孔，所述汽化腔侧壁上设有与液氮输送管路连通液氮进口和出口，所述进口和出口处分别设有第一电磁阀与第二电磁阀，第一电磁阀、第二电磁阀的开启或关闭受计算机控制，深冷冲击头的主体的汽化腔下端喷口处设置压力阀，压力阀与深冷冲击头主体之间采用螺纹连接。

进一步地，深冷冲击头与试样之间的距离为6mm～20mm；高压液氮罐的压力不低于50Mpa。

进一步地，所述水平支架与垂直工作台之间还设置有L型支架。

本发明方法的工作原理为利用高功率激光束照射掺杂吸收体粉末的液氮产生局部高温等离子体，液氮在高温等离子体作用下迅速气化膨胀形成高速高压气流，并在低温环境下冲击金属表面实现表面强化。避免了传统激光冲击强化技术在液氮环境中液氮蒸汽对激光的阻碍作用，提高了激光能量利用率；将激光诱导的等离子体膨胀压力与液氮汽化压力相结合，显著提高金属表面的冲击波压力。

结合运动平台的运动轨迹，利用高功率激光束多次冲击金属表面不同区域，可实现试样表面的区域强化。

通过调节深冷冲击头压力阀3-11的开启压力，可通过将多个激光脉冲诱导的等离子体压力以及液氮气化压力反复叠加，进而显著提高试样表面的冲击波压力，进而提高冲击强化效果。

附图说明

图1为本发明所述基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化装置示意图。

图2为深冷激光冲击头的装置示意图。

图3为深冷激光冲击头的工作原理示意图。

图中，

1.激光器，2.45反射镜，3.深冷冲击头，4.L型支架，5.螺柱，6.水平支架，7.垂直工作台，8.螺柱，9.运动平台，10.手动调节旋钮，11.进口转接头，12.温度传感器，13.试样，14.深冷槽，15.出口转接头，16.电磁流量阀，17.出口转接头，18.氮气分离装置，19.氮气液化装置，20.工作台，21.高压液氮罐，22.液氮输送管路，23.进口转接头，24.吸收体粉末，25.漏斗顶盖，26.计算机，27.伺服电机，28.高精度螺杆，29.V型漏斗，30.混粉装置，31.蛇形通道，3-1.第一电磁阀，3-2.第一耐高压玻璃，3-3.套筒，3-4.内端盖，3-5.第二耐高压玻璃，3-6.密封垫圈，3-7.外端盖，3-8.主体，3-9.抽气孔转接头，3-10.第二电磁阀，3-11.压力阀。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化装置，包括激光冲击系统、液氮循环系统和控制系统，所述激光冲击系统包括激光器1、全反镜2、深冷冲击头3、垂直工作台7、水平支架6、运动平台9、手动调节旋钮10、工作台20，运动平台9装在工作台20上，激光器1水平放置，所述全反镜2位于激光器1所发射激光的光路上、且与水平面呈45°设置，激光经全反镜2反射后垂直进入深冷冲击头3，所述深冷冲击头3通过水平支架6固定在垂直工作台7上，所述垂直工作台7在竖直方向上的高度能够调节。

液氮循环系统包括由液氮输送管路22依次连通的高压液氮罐21、混粉装置30、深冷冲击头3、深冷槽14、氮气分离装置18、氮气液化装置19，所述氮气液化装置19与液氮罐21之间也由液氮输送管路22连通，深冷槽14固定于运动平台9上，所述混粉装置30上安装用于储存吸收体粉末24的V型漏斗29，所述V型漏斗29的漏斗嘴延伸至混粉装置30内，V型漏斗29中间设置有延伸至圆柱状漏斗嘴内的螺杆28，所述螺杆28通过位于V型漏斗29顶部的伺服电机27驱动旋转。

所述控制系统包括计算机26、温度传感器12、电磁流量阀16，温度传感器12、电磁流量阀16均与计算机26相连，所述温度传感器12设置在深冷槽14内、且位于待加工试样13表面，用于采集试样13表面的温度；电磁流量阀16设置在深冷槽14与氮气分离装置18之间的液氮输送管路22上，计算机26根据设定温度调节电磁流量阀16的流量控制液氮液面高度，进而实现试样13表面温度的控制；激光器1、运动平台9、垂直工作台7均与计算机26连接，所述激光器1所产生激光的参数、垂直工作台7在竖直方向上的高度、运动平台9的运动轨迹均通过计算机26控制；所述运动平台9一端还设置手动旋钮10，用于手动调节运动平台的起始位置。

所述的基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法，利用高功率激光束照射掺杂吸收体粉末的液氮，局部吸收体粉末吸收高功率激光迅速气化产生高温等离子体，高温等离子体迅速膨胀的同时促使周围液氮急速气化膨胀，形成高速高压气流，等离子体膨胀压力以及液氮气化膨胀压力使汽化腔压力迅速上升，在低温环境下冲击金属表面实现表面强化。既能避免传统激光冲击强化技术在液氮环境中液氮蒸汽对激光的阻碍作用，提高了激光能量利用率；又能将激光诱导的等离子体膨胀压力与液氮汽化压力相结合，显著提高金属表面的冲击波压力。所述吸收体粉末为平均直径不超过200μm的黑漆粉末或平均直径不超过100μm的铝粉；掺杂吸收体粉末的液氮中粉末与液氮的体积比在0.1～0.3之间。高功率激光束为纳秒激光束，脉宽10～100ns，低温环境保持在-85～-176℃。

在工作过程中，激光器1产生的激光束经45°全反镜2反射后垂直进入深冷冲击头3，激光器参数可通过计算机26实时精确控制。深冷冲击头3与试样13之间的距离可通过垂直运动台7进行调节。水平支架6与深冷冲击头3之间、水平支架6与L型支架4之间以及水平支架6、L型支架4之间与垂直运动台7之间均采用螺柱5连接。高压液氮罐21通过液氮输送管路22将液氮输送至混粉装置30，混粉装置30与液氮输送管路22间采用进口转接头23转接。混粉装置30上安装V型漏斗29，用于储存吸收体粉末24。V型漏斗29中间设置的螺杆28由伺服电机27驱动旋转，将吸收体粉末24以螺旋送粉方式送入混粉装置30，螺旋送粉效率可通过计算机26调节伺服电机27的转速进行控制。

所述混粉装置30内部设有蛇形通道31，吸收体粉末24与液氮在混粉装置30中通过蛇形通道31快速混合，掺杂吸收体粉末的液氮经转接头17与液氮输送管路输送至深冷冲击头3的液氮进口，并从液氮出口经液氮输送管路输送至深冷槽14的入口，深冷槽14入口设置转接头。深冷槽14内的液氮通过液氮输送管路经出口转接头15、电磁流量阀16后输送至氮气分离装置18，氮气分离装置18产生的氮气经输送管路输送至氮气液化装置19，并经液氮输送管回收至液氮罐21。试样13置于深冷槽14内，试样13表面的温度传感器12，通过数据线将试样13表面的温度实时反馈至计算机26。深冷槽14固定于运动平台9上，运动平台9一端设置手动旋钮10，运动平台9可通过计算机26实现运动路径控制。

如图2所示，所述深冷冲击头3包括主体3-8、外端盖3-7、套筒3-3、内端盖3-4、第一耐高压玻璃3-2、第二耐高压玻璃3-5，所述主体3-8具有相连通的激光腔和汽化腔。所述第一耐高压玻璃3-2设置在激光腔和汽化腔之间、并将激光腔和汽化腔隔开。所述套筒3-3装于激光腔内，内端盖3-4通过螺纹连接装在外端盖3-7上、并将第二耐高压玻璃3-5限位在内端盖3-4与外端盖3-7之间，所述外端盖3-7螺纹连接在激光腔开口处，外端盖3-7与套筒3-3、第二耐高压玻璃3-5之间以及激光腔与第一耐高压玻璃3-2之间均设置密封垫圈，使激光腔成为以密闭的空间。所述激光腔侧壁上设有与抽气机连通的抽气孔，抽气孔外侧设置转接头3-9，可与抽气机相连接以保证激光腔处于真空状态。所述汽化腔侧壁上设有与液氮输送管路22连通液氮进口和出口，所述进口和出口处分别设有第一电磁阀3-1与第二电磁阀3-10，第一电磁阀3-1、第二电磁阀3-10的开启或关闭受计算机26控制。压力阀3-11与深冷冲击头主体3-8之间采用螺纹连接。其中，深冷冲击头3与试样13之间的距离为6mm～20mm。高压液氮罐21的压力不低于50MPa。

试样13表面温度通过深冷槽14的液氮液面高度进行控制，具体过程为：温度传感器12采集试样13表面温度并反馈至计算机26，计算机26根据设定温度调节电磁流量阀16的流量进而控制液氮液面高度，这决定了试样与液氮的接触面积以及热传导效率，进而实现试样表面温度的控制。

深冷激光冲击头的工作原理如图3所示，计算机26控制深冷冲击头进出口的第一电磁阀3-1、第二电磁阀3-10开启，掺杂吸收体粉末的液氮经进口进入汽化腔，由于不足压力阀3-11的开启压力，液氮经出口流至深冷槽14。当计算机26控制试样13表面达到设定温度时，计算机26控制深冷冲击头3进出口的第一电磁阀3-1、第二电磁阀3-10关闭，同时激光器1发射激光并通过激光腔进入汽化腔，吸收体粉末吸收高功率激光迅速气化形成高温等离子体，高温等离子体迅速膨胀的同时促使周围液氮急速气化膨胀，等离子体膨胀压力以及液氮气化膨胀压力使汽化腔压力迅速上升。当汽化腔压力上升至压力阀3-11的开启压力后，高速高压气流通过压力阀3-11出口喷出，并以极高压力冲击试样13表面，实现表面强化。重复上述过程可实现多次冲击，同时结合运动平台9的运动轨迹可实现试样表面的区域强化。

本发明方法及装置通过调节深冷冲击头压力阀3-11的开启压力，可通过多个激光脉冲实现汽化腔连续蓄压，即多个激光脉冲诱导的等离子体压力以及液氮气化压力反复叠加。这可以显著提高试样表面的冲击波压力，进而提高冲击强化效果。

采用本发明所述的深冷激光冲击强化方法及装置对TC6钛合金进行表面强化，高功率激光束脉宽20ns，能量9J。黑漆粉末平均直径52μm。掺杂黑漆粉末液氮中黑漆粉末与液氮的体积比为0.16。深冷冲击头3与试样13之间的距离为10mm，试样表面温度-160℃。高压液氮罐21的压力保持在75MPa。使用传统激光冲击强化方法在相同温度以及相同激光参数下对TC6钛合金进行表面强化，结果表明传统激光冲击强化诱导的平均凹坑深度约为32μm，而本发明方法与装置在TC6钛合金表面获得的平均凹坑深度高达55μm，比传统激光冲击强化方法提高了约71.9％，说明本发明方法可以显著提高激光能量利用率以及金属表面冲击波压力，进而显著提高冲击强化效果。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。