一种基于液氮约束层的激光冲击强化方法与流程

本发明属于激光冲击强化领域，更具体地，涉及一种基于液氮约束层的激光冲击强化方法。

背景技术：

激光冲击强化是利用激光诱导的冲击波压力进行材料改性的新技术，是一种有望替代传统机械喷丸强化改性的绿色制造技术。在此基础上，通过在一定的温度效应下对金属表面进行激光冲击，可以得到更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了在一定的温度效应下进行激光冲击能够达到比常温激光冲击更加优良的表面强化效果。

在航空发动机叶片制作过程中，激光冲击是整个制作过程中及其关键且核心的工艺步骤，其激光冲击效果直接影响到发动机叶片的疲劳寿命，且目前航空发动机的主要失效形式为表面疲劳失效，因此，激光冲击的效果极大的影响了整个航空发动机的工作年限。

在目前现有的激光冲击工艺中，其采用的约束层主要为流水或者玻璃。专利cn200510094810.9公开了一种基于激光冲击技术的新型水约束层增压的方法和装置，提出了一种基于厚度较为均匀的流水约束层的激光冲击方法与装置，相比于流水约束层而言，液氮约束层能显著提高加工工件中晶格畸变与位错密度等，从而使得工件的疲劳寿命大大提升，进而延长了工件的使用寿命；专利cn201410492392.8公开了一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法和装置，利用温度差形成的空气层流对激光诱导冲击波压力进行约束，可以在0.7～2.5mpa空气压力下实现较好的约束效果，但仅适用于高温激光冲击场合，其在低温冲击中存在明显的局限性，基于液氮约束层的激光冲击技术则可以很好的解决这一问题；专利cn105063284a提出了一种适用于深冷激光冲击技术的高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统，但是利用静止液氮作为约束层在激光冲击过程中由于能量过高导致液氮迅速升温气化，使得工件表面液氮约束层不均匀，导致约束效果不佳而使得激光冲击整理效果不理想，不如流水等流动液体或者k9光学玻璃约束效果好。

相比现有的激光冲击方法，本发明提出了一种基于液氮约束层的激光冲击方法和装置，首次直接采用液氮作为约束层进行激光冲击强化，液氮在工作过程中既起到了约束高能等离子体的作用，同时可以起到冷却等离子体，降低工件受激光冲击强化处理局部温度，达到低温激光冲击强化的效应，且结构简单，只需将现有激光冲击强化生产线的流水喷头改为液氮喷头即可，对现在已有生产线改动小，更易于被生产厂家所接受，有利于工业化生产应用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于液氮约束层的激光冲击强化方法，通过在待加工工件表面的结构进行改进，以此在待加工表面形成激光吸收层和流动的液氮约束层，通过激光照射后，吸收层吸收激光的能量形成等离子体，在约束层的作用下的等离子体的膨胀和传播被限制在垂直于工件的方向，使得待加工工件内部产生塑性变形，以此层。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于液氮约束层的激光冲击强化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待加工工件表面进行降温，然后在待加工工件表面涂覆一层用于吸收激光能量的材料，以此作为吸收层；将表面涂覆有吸收层的待加工工件固定，向所述吸收层不断喷射液氮，以此在所述吸收层上形成一层流动的液氮层，即约束层。

(b)采用激光按照预设轨迹照射步骤(a)获得的待加工工件的表面，所述激光穿过所述约束层抵达所述吸收层，该吸收层吸收激光能量气化产生等离子体，该等离子体不断吸收所述激光的能量升温膨胀，最后爆炸形成高压冲击波向待加工工件内部传播，使得待加工工件中发生塑性变形，从而增加待加工工件中晶粒位错密度和致密度提高，晶格尺寸降低，其中，所述约束层一方面用于降低所述待加工工件的温度，使其始终处于低温状态，另一方面抑制所述等离子体的膨胀使其被限制在垂直于工件的方向上。

进一步优选地，所述吸收层采用的材料优选采用深色胶带，其厚度优选为10微米以上。

进一步优选地，所述约束层的厚度优选为1mm～30mm。

进一步优选地，所述激光的能量密度的范围优选采用为大于1gw/cm2。

进一步优选地，所述待加工工件的材料优选为金属及其合金。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:

1、本发明提出了一种基于液氮约束层的激光冲击方法和装置，首次直接采用液氮作为约束层进行激光冲击强化，液氮在工作过程中既起到了约束高能等离子体的作用，同时可以起到冷却等离子体，降低工件温度，达到低温激光冲击强化的效应，也有利于工业化生产应用，且结构简单，对现在已有的激光冲击强化生产线改动小，更便于直接用于生产实际；

2、本发明中采用的液氮温度为77k(零下195.79度)，采用液氮作为约束层，可以直接实现低温激光冲击强化，相比常温激光冲击强化技术而言，液氮温度下的低温激光冲击强化技术带来的强化效果显著增强，例如对304不锈钢的低温激光冲击强化结果显示：同等激光密度条件下，低温激光冲击强化相比室温激光冲击强化能够形成更高密度的马氏体，从而有效的提高材料的表面硬度；另外，低温激光冲击强化产生的孪晶以及堆垛层错更高；最后，低温激光冲击强化可以将304钢的疲劳寿命提高2.89倍，而室温激光冲击强化可以将304钢的疲劳寿命提高1.35倍，工件疲劳寿命相较室温激光冲击强化显著提高2.14倍。此外，在多晶铜以及niti记忆合金中低温激光冲击强化也产生了类似强化效应；

3、本发明提供的方法与现在已有的深冷激光冲击强化技术相比，深冷冲击技术需要专门的设备来维持深冷环境，而本发明的方法加工前只需使用液氮对表面进行低温处理，无需将工件浸泡于液氮中，亦可实现低温加工过程，而所需的液氮易获取，操作流程简单，且无需其他额外能量来构造深冷环境，因此而言，相比深冷激光冲击而言更加节能；

3、本发明将该基于液氮约束层的激光冲击技术应用于实际生产加工过程中时，对现有的激光冲击强化技术生产线改动很小，只需要将现有的流水喷头改为液氮喷头即可实现，容易为生产单位接受。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的激光冲击强化系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的激光冲击强化过程的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-待加工工件2-吸收层3-液氮存储罐4-液氮喷射管道5-液氮喷嘴6-支撑架7-液氮8-为激光发射器的运动方向9-激光发射器10-万向架11-控制线路12-控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的激光冲击强化系统的结构示意图，如图1所示，液氮存储罐3通过管道4与液氮喷嘴5相连接，喷嘴5固定在可变位置型液氮支撑架6上，吸收层2均匀涂覆在待加工工件1上，激光发射器9通过控制线路11与控制器12连接，通过激光发射控制器12可以调节激光强度，改变激光冲击过程中的激光冲击能量，激光器9固定在万向架10上，可在空间坐标中实现x,y,z三个方向上的平移与旋转运动。

在基于液氮约束层的激光冲击强化的加工过程中，其具体操作步骤如下：

步骤一，将待加工工件表面用流动的液氮进行低温化处理，以保证待加工工件在加工过程中处于低温状态，待加工工件的材料优选为金属及其合金；

步骤二，在待加工工件的待加工表面涂覆上提前备好的吸收层，吸收层采用的材料优选采用深色胶带，例如黑色胶布等，其厚度优选为10微米以上，厚度过小则无法充分吸收激光的能量；

步骤三，将涂覆好吸收层2的待加工工件1固定在夹具上，使其待进行激光冲击强化的表面正对于激光发射器；

步骤四，打开液氮喷嘴控制器，调节好液氮喷出的流速和喷射范围，使得待强化表面完全被流动状态下的液氮所覆盖，形成局部低温环境，其中，液氮喷出的流速和喷射范围根据不同的材料，选择范围不同，需根据激光参数以及具体的材料决定；

步骤五，待流动的液氮约束层处于稳定流动状态后，通过激光发射控制器12调节好激光冲击强化过程中所需要的激光强度(最大为4j)，开启激光发射器9，进行基于液氮约束层的激光强化强化加工过程。其中，约束层的厚度优选为1mm～30mm，约束层的厚度过小无法起到约束作用，过大则无法形成流动的约束层，且会阻挡激光，激光的能量密度的范围优选采用为大于1gw/cm²，激光能量密度过小会使得该激光强化加工过程不彻底。

步骤六，在加工过程中，通过调节万向架，使得激光发射器沿着待加工表面或特定路线往复运动，实现工件表面实现均匀冲击强化，使得激光冲击强化加工完成后的工件内部晶格更加致密均匀，且位错密度更大，工件表面单点抗疲劳寿命更加均匀，从而保证工件表面的整体强度较为一致。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的激光冲击强化过程的原理示意图，如图2所示，在基于液氮约束层的激光冲击强化过程中，激光发射器发射激光，当激光抵达吸收层后，吸收层吸收激光能量迅速气化产生高温(>10k)高压(>1gpa)的等离子体，等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，液氮作为约束层，等离子体受到液氮喷嘴喷出的液氮的约束作用会产生爆炸，爆炸时形成高压冲击波，冲击波向金属内部传播，由于低温下(液氮温度)金属的再结晶过程更容易形成，从而引入更高的位错密度。同时低温(液氮温度)可以有效的抑制表面强化过程中的产生的微观组织动态还原成原有组织结构。另外低温下的表面强化技术可以更加有效的降低晶格尺寸，使得航空发动机叶片晶粒更加致密，从而进一步提高加工硬化效果，进而强化金属；使得金属具有更高的疲劳寿命，使得其抗疲劳强度得到很好的改善，使得其使用寿命相比传统的激光冲击叶片的使用寿命更长。在材料的微观结构方面，液氮温度下的表面强化更加容易在某些特定的金属及其合金中引入形变孪晶，可以有效提高材料的强度并且保持材料的延展性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。