一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法

1.本发明涉及一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，属于激光加工技术领域。


背景技术：

2.激光冲击强化是一种新型表面强化技术，该技术采用短脉冲激光为介质，利用激光诱导冲击波的力学效应，在金属表面形成较大、较深的残余压应力和组织结构变化，从而显著提高金属材料抗疲劳、抗应力腐蚀和抗微动磨损等服役性能。在激光冲击强化生产和加工中，为了降低设备成本，往往采用圆光斑激光器。
3.激光冲击过程中，激光光束的能量分布一般采用平顶或高斯形式，理论上，激光能量分布为平顶分布时，圆光斑辐照区域获得相等的冲击压力，激光能量分布为高斯分布时，圆光斑辐照的中心区域获得最大的冲击压力。然而，实际操作过程中不论激光光束的能量分布方式为上述的哪一种，光斑的中心往往并不是残余压应力最大值位置，相反，光斑中心仅会形成较低的残余压应力，即形成“残余应力洞”现象。“残余应力洞”的出现影响激光冲击处理的强化效果，造成残余应力场分布不均，影响材料抗疲劳、抗腐蚀性能，而且不利于激光能量的充分利用。
4.中国专利文件cn107858501b公开了一种去除残余应力洞的工件表面激光冲击工艺，对微织构激光参数进行优化，利用激光微织构形成的阵列小孔，达到释放残余应力的目的，同时，微织构形成的小孔在稀疏波传播过程中起到阻断作用，使表面汇聚波不能到达光斑中心，无法形成残余应力洞，使用pdvf压电传感器在工件表面监测确保表面稀疏波无法向光斑中心汇聚。该工艺是在激光冲击波已经诱导残余应力分布不均匀的现象发生后，再采用增加额外工序以制备表面微织构的方式来抑制残余应力洞，以此实现材料的均匀强化处理，增加额外工序加大了操作强度，降低了工作效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，精准控制液体约束条件下脉冲激光冲击过程中的“等离子体冲击”效应与“空化”效应的作用强度，使材料表面获得均匀的残余应力分布状态，提高材料的抗疲劳、抗应力腐蚀和抗微动磨损性能。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，步骤如下：
8.(1)搭建液体约束激光冲击加工平台：
9.所述液体约束激光冲击加工平台包括激光器，激光光束聚焦位置远离激光器的一侧设置载物装置，载物装置上设置试样材料，试样材料表面设置涂覆装置；
10.(2)制备特定光折射率的液体约束层材料：
11.选择粘性小于高粘度液体材料的液体约束层基准材质，将金属氧化物纳米颗粒均
匀分散于液体约束层基准材质中，得到液体约束层材料，纳米颗粒的混溶是为了创造更易于实现的激光诱导空化效应，达到降低液体抗拉强度的目的。
12.然后将液体约束层材料置入涂覆装置内，启动激光器，观测激光光束聚焦位置与试样表面的距离，保证激光光束聚焦位置与试样表面的距离为3
‑
5mm，激光光束聚焦位置与试样表面的距离为3
‑
5mm，保证确定的液体约束层材料可以使得待加工试样表面承受较小作用强度的空化效应；
13.(3)检测液体约束层材料：
14.启动激光器进行激光冲击处理，通过单光斑辐照区域的残余应力分布状态，判断液体约束激光冲击的空化效应对“残余应力洞”的抑制效果，判断方法如下：
15.a、“残余应力洞”不出现，试样表面获得均匀分布残余应力，进入步骤(4)；
16.b、“残余应力洞”出现，向液体约束层材料内添加高粘度液体材料，随着液体约束层材料内的高粘度液体材料比重提高，液体约束层的光折射率增大，实现激光光束聚焦位置向试样表面的不断趋近，直至使得试样表面“残余应力洞”消失，本步骤结束，确定高粘度液体材料的添加比重；高粘度液体材料的添加量能使残余应力洞消失就可。
17.(4)利用步骤(3)确定液体约束层材料对待加工材料进行单光斑辐照区域的均匀激光冲击处理。
18.根据本发明优选的，步骤(1)中试样材料表面距离激光光束聚焦位置5
‑
10mm。
19.根据本发明优选的，步骤(1)中涂覆装置为中空透明玻璃容器，涂覆装置设置于试样材料上侧，涂覆装置与试样材料的接触边缘胶水密封，涂覆装置内设置液体约束层材料。涂覆装置厚度没有要求，约束层的厚度变化引起后续激光聚焦位置变化，进而导致空化效应与等离子体冲击效应的作用强度比例发生变化，使进入使得残余应力洞现象的发生程度发生变化。
20.根据本发明优选的，步骤(2)中激光光束聚焦位置与试样表面的距离观测方式为通过高速摄像直接观测或计算获得：
21.高速摄像直接观测方法为：去除待加工试样材料，保持涂覆装置与激光器的相对距离不变，观测玻璃容器中液体约束层材料内的空化泡的形成位置，空化泡的形成位置被表征为激光光束聚焦位置，通过高速摄像观测空化泡的形成位置与试样表面的距离；
22.计算方法为：预先观测激光光束入射到液体约束层材料界面时的激光光束直径及其入射角度，计算得到空化泡的形成位置与试样表面的距离。计算公式是光的折射公式。
23.根据本发明优选的，步骤(2)中液体约束层基准材质为去离子水和甘油，当液体约束层基准材质为去离子水时，金属氧化物纳米颗粒为亲水性金属氧化物纳米颗粒，当液体约束层基准材质为甘油时，金属氧化物纳米颗粒为亲油性金属氧化物纳米颗粒。
24.根据本发明优选的，步骤(2)中金属氧化物纳米颗粒体积在液体约束层基准材质中占比≤10
‑4。
25.根据本发明优选的，步骤(2)中液体约束层材料为水、甲醇、乙醚、苯或四氯化碳。
26.根据本发明优选的，步骤(2)(3)中的高粘度液体材料为甘油、松节油或橄榄油。
27.工作原理：通过液体约束条件下激光冲击过程中的激光诱导空化效应来削弱或消除激光等离子体冲击波所导致的单光斑区域的残余应力分布不均现象，当空化效应的作用强度恰好能够消除或抵消等离子体冲击波引发的“残余应力洞”时，材料表面可获得均匀的
残余应力分布状态，在解决“残余应力洞”缺陷时，精准控制液体约束条件下脉冲激光冲击过程中的“等离子体冲击”效应与“空化”效应的作用强度，可以使材料表面获得均匀的残余应力分布状态，提高材料的抗疲劳、抗应力腐蚀和抗微动磨损性能。
28.等离子体冲击效应与空化效应的发生位置对激光光束聚焦的敏感性不同。等离子体冲击效应在激光光束聚焦区域的较大位置范围内均具有明显作用，而空化效应则仅在激光光束聚焦区域发生，通过改变激光光束的聚焦位置，可以在等离子体冲击效应未发生明显变化的条件下，实现对空化效应作用强度的定量控制，进而达到脉冲激光冲击双物理效应的分配调节。
29.本发明的有益效果在于：
30.1、本发明精准控制液体约束条件下脉冲激光冲击过程中的“等离子体冲击”效应与“空化”效应的作用强度，使材料表面获得均匀的残余应力分布状态，提高材料的抗疲劳、抗应力腐蚀和抗微动磨损性能。
31.2、本发明通过混溶纳米颗粒创造更易于实现的激光诱导空化效应，达到降低液体抗拉强度的目的。
附图说明
32.图1为本发明的实施例2所述光折射过程图。
具体实施方式
33.下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
34.实施例1：
35.本实施例提供一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，冲击厚度为2.5mm的待加工试样，步骤如下：
36.(1)搭建液体约束激光冲击加工平台，载物装置装配位置距离激光光束聚焦位置8mm，待加工试样置于载物装置后，试样表面距离激光光束聚焦位置5.5mm，试样表面设置涂覆装置，涂覆装置为12mm厚度中空透明玻璃容器，透明玻璃容器设置于待加工试样上侧，透明玻璃容器与试样材料的接触边缘胶水密封，透明玻璃容器内设置液体约束层材料。
37.(2)通过硅烷偶联剂kh
‑
570对fe3o4纳米颗粒进行改性获得亲水性fe3o4纳米颗粒；
38.(3)向水中加入亲水性fe3o4纳米颗粒，混合均匀，制得水约束层材料，将水约束层材料置于涂覆装置内，启动激光器，通过高速摄像直接观测空化泡的形成位置与试样表面的距离，得到水约束层材料使得空化泡形成位置与试样表面距离为4mm。
39.(4)将水约束层材料置于涂覆装置内进行激光冲击处理，检测试样表面单光斑辐照区域的“残余应力洞”形成程度，检测结果为“残余应力洞”不出现。
40.(5)利用水液体约束层材料，对待加工材料进行单光斑辐照区域的均匀激光冲击处理。
41.实施例2：
42.本实施例提供一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，冲击厚度为2.5mm的待加工试样，步骤如下：
43.(1)搭建液体约束激光冲击加工平台，载物装置装配位置距离激光光束聚焦位置
8.5mm，待加工试样置于载物装置后，试样表面距离激光光束聚焦位置6mm，试样表面设置涂覆装置，涂覆装置为12mm厚度中空透明玻璃容器，透明玻璃容器与试样材料的接触边缘胶水密封，透明玻璃容器内设置液体约束层材料。
44.(2)通过硅烷偶联剂kh
‑
570对al2o3纳米颗粒进行改性获得亲水性al2o3纳米颗粒，al2o3纳米颗粒的改性方法参考[陆荣,景强,王吉荣.kh
‑
570对al2o3粉体的改性研究[j].盐城工学院学报(自然科学版),2005(04):34
‑
36]中记载的制备方法。
[0045]
(3)向乙醚中加入亲水性fe3o4纳米颗粒，混合均匀，制得乙醚约束层材料，将乙醚约束层材料置于涂覆装置内，启动激光器，通过预先观测激光光束入射到液体约束层材料界面时的激光光束直径及其入射角度计算空化泡的形成位置与试样表面的距离，计算公式为光的折射公式，光折射过程如图1所示；结果显示选择的乙醚约束层材料使得空化泡形成位置与试样表面距离为4.3mm。
[0046]
(4)将乙醚约束层材料置于涂覆装置内进行激光冲击处理，检测试样表面单光斑辐照区域的“残余应力洞”形成程度后发现“残余应力洞”出现。
[0047]
(5)向乙醚液体约束层内添加甘油，通过检测单光斑辐照区域的残余应力分布状态，得到当乙醚内甘油比重为30％时，试样表面无“残余应力洞”形成。
[0048]
(6)利用甘油比重为30％的乙醚液体约束层材料，对待加工材料进行单光斑辐照区域的均匀激光冲击处理。
[0049]
实施例3：
[0050]
本实施例提供一种基于变液体约束层物性的双物理效应脉冲激光冲击方法，冲击厚度为3mm的待加工试样，步骤如下：
[0051]
(1)搭建液体约束激光冲击加工平台，载物装置装配位置距离激光光束聚焦位置8.5mm，待加工试样置于载物装置后，试样表面距离激光光束聚焦位置5.5mm，试样表面设置涂覆装置，涂覆装置为10mm厚度中空透明玻璃容器，透明玻璃容器设置于待加工试样上侧，透明玻璃容器与试样材料的接触边缘胶水密封，透明玻璃容器内设置液体约束层材料。
[0052]
(2)通过硅烷偶联剂kh
‑
570对al2o3纳米颗粒进行改性获得亲水性al2o3纳米颗粒和亲油性al2o3纳米颗粒。
[0053]
(3)向橄榄油中加入亲油性fe3o4纳米颗粒，混合均匀，制得橄榄油约束层材料，将橄榄油约束层材料置于涂覆装置内，通过高速摄像直接观测空化泡的形成位置与试样表面的距离，得到选择的橄榄油约束层材料使得空化泡形成位置与试样表面距离为3.6mm。
[0054]
(4)将橄榄油约束层材料置于涂覆装置内进行激光冲击处理，检测试样表面单光斑辐照区域的“残余应力洞”形成程度后发现“残余应力洞”出现。
[0055]
(5)重新改变液体约束层材料为四氯化碳，向四氯化碳中加入亲水性fe3o4纳米颗粒，混合均匀，制得四氯化碳约束层材料，将四氯化碳约束层材料置于涂覆装置内，通过高速摄像直接观测空化泡的形成位置与试样表面的距离，得到选择的四氯化碳约束层材料使得空化泡形成位置与试样表面距离为4mm。
[0056]
(6)将四氯化碳约束层材料置于涂覆装置内进行激光冲击处理，检测试样表面单光斑辐照区域的“残余应力洞”形成程度后发现“残余应力洞”不出现。
[0057]
(7)利用四氯化碳液体约束层材料，对待加工材料进行单光斑辐照区域的均匀激光冲击处理。