一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法与流程

本发明涉及材料强化装置及方法，具体涉及一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法，属于材料表面强化技术领域。

背景技术：

在如今节能降耗减排的发展趋势下，轻质合金作为密度最轻的金属材料，是最具发展前景的金属材料之一。近年来，随着研制技术的不断发展，轻质合金材料不但在航空航天、武器装备等研发中发挥着重要作用，还被广泛应用于汽车、通讯设备、电子产品等民用产品领域。尽管轻质合金材料的各项性能指标得到了空前的发展，但仍然存在绝对强度低的问题，这在一定程度上限制了轻质合金材料的应用。

现有的合金材料强化方法主要是利用激光作用于液体中，当激光能量达到液体介质的击穿阈值，液体会被击穿产生等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量后迅速膨胀形成空泡，空泡在固液交界面附近运动时，由于其两侧存在压力差，空泡会产生趋壁效应，在空泡脉动溃灭过程中伴随着冲击波和水射流作用，进而对材料表面形成力学作用。该强化方法虽然能够在一定程度上提高合金材料的强度，但强化效果并不理想。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法，该装置结构简单，易于操作，能够满足对轻质合金材料的强化要求；该强化方法能够实现对轻质合金材料的强化，显著地提高其绝对强度。

为了实现上述目的，本发明提供一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置，包括激光器、透镜组、水槽、靶材和三维移动平台，所述的激光器发射的激光经过透镜组后形成的激光束聚焦于靶材上方，靶材放置在水槽内的载物台上，水槽设置于三维移动平台上；

激光束与靶材表面垂直，且激光束的焦点处于水槽内注有的强化液内，焦点与靶材上表面之间的距离为0.1mm～2mm，所述强化液采用10nm～100nm的碳化硅粒子与水以1:100～1:200的质量比均匀混合而成。

进一步地，所述的透镜组以激光器为起点，由近及远依次为凹透镜、凸透镜、全反镜和聚焦透镜。

进一步地，所述的激光束为大于1500毫焦的高能量激光；所述的靶材为轻质合金；所述的碳化硅粒子为硬质陶瓷粉末；所述的水槽材质为树脂塑料或玻璃；所述的水为自来水或纯净水。

一种水下粒子空泡耦合的材料强化方法，包括如下步骤：

(1)将水槽内的强化液采用10nm～100nm的碳化硅粒子与水以1:100～1:200的比例混合均匀；

设定激光功率，安装透镜组，打开激光器，调定激光束聚焦点与靶材上表面之间的距离，并使焦点与靶材表面保持垂直；

(2)启动三维移动平台，使其按照设定的路线进行移动，设置于其上端的水槽随之做相同的移动，焦点在靶材的不同位置诱发粒子空泡，对靶材实施冲击强化。

进一步地，步骤(1)中透镜组以激光器为起点，由近及远依次为凹透镜、凸透镜、全反镜和聚焦透镜。

进一步地，步骤(1)中的激光束为大于1500毫焦的高能量激光；焦点与靶材之间的距离为1mm；强化液采用20nm的碳化硅粒子与水以1:100的比例均匀混合而成。

进一步地，步骤(2)中，粒子空泡对靶材进行冲击强化时，碳化硅粒子以大于150m/s的速度撞击靶材。

进一步地，步骤(2)中，水槽内靶材的移动路线为正u形和倒u形相间的连续分布。

本发明通过将激光束经透镜组聚焦于水槽中的强化液内，高能量激光在焦点处产生空泡群，空泡具有很大的能量，可产生较大的速度和压力；强化液内均匀混合的碳化硅纳米粒子被空泡包裹，当空泡裹挟着纳米粒子高速冲击靶材时，空泡发生溃灭，并在溃灭区产生1500℃以上的高温，对靶材进行快速加热并散热，形成残余热应力层，实现了对靶材的强化，且该装置结构简单，易于操作，满足了对轻质合金材料的强化要求，显著地提高了其绝对强度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是激光束焦点在靶材表面的相对移动路线图。

图中：1、激光器，2、透镜组，3、水槽，4、靶材，5、三维移动平台，6、激光束，7、载物台，8、焦点，9、强化液，10、碳化硅粒子，11、凹透镜，12、凸透镜，13、全反镜，14、聚焦透镜，15、粒子空泡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置，包括激光器1、透镜组2、水槽3、靶材4和三维移动平台5，所述的激光器1发射的激光经过透镜组2后形成的激光束6聚焦于靶材4上方，靶材4放置在水槽3内的载物台7上，水槽3设置于三维移动平台5上；

激光束6与靶材4表面垂直，且激光束6的焦点8处于水槽3内注有的强化液9内，焦点8与靶材4上表面之间的距离为0.1mm～2mm，所述强化液9采用10nm～100nm的碳化硅粒子10与水以1:100～1:200的质量比均匀混合而成。

透镜组2以激光器1为起点，由近及远依次为凹透镜11、凸透镜12、全反镜13和聚焦透镜14。

为使激光束6在强化液9内产生的粒子空泡15温度达到强化要求，所述的激光束6为大于1500毫焦的高能量激光；

所述的靶材4为轻质合金；

作为一种优选，所述的碳化硅粒子10为硬质陶瓷粉末；所述的水槽3材质为树脂塑料或玻璃；所述的水为自来水或纯净水。

本申请中的三维移动平台5为现有技术中存在的能够满足移动需要的移动平台即可，即三维移动平台5带动水槽3可同时或分别在x方向即横向、y方向即纵向和z方向即轴向运动。

一种水下粒子空泡耦合的材料强化方法，包括如下步骤：

(1)将水槽3内的强化液9采用10nm～100nm的碳化硅粒子10与水以1:100～1:200的质量比混合均匀；

设定激光功率，安装透镜组2，打开激光器1，调定激光束6焦点与靶材4之间的距离，并使焦点8与靶材4表面保持垂直；

(2)启动三维移动平台5，使其按照设定的路线进行移动，设置于其上端的水槽3随之做相同的移动，焦点8在靶材4的不同位置诱发粒子空泡10，对靶材4实施冲击强化。

步骤(1)中透镜组2以激光器1为起点，由近及远依次为凹透镜11、凸透镜12、全反镜13和聚焦透镜14。

为使激光束6在强化液9内产生的粒子空泡15温度达到强化要求，步骤(1)中的激光束6为大于1500毫焦的高能量激光；且焦点8与靶材4之间的距离为1mm。

强化液9采用20nm的碳化硅粒子10与水以1:100的质量比均匀混合而成，有利于为空泡提供更好的结合粒子。

为达到更好的强化效果，步骤(2)中，粒子空泡15对靶材进行冲击强化时，碳化硅粒子10以大于150m/s的速度撞击靶材4。

如图2所示，为保证靶材4被全面均匀的强化，步骤(2)中，水槽3内靶材4的移动路线为正u形和倒u形相间的连续分布。

实施例：

以镁铝合金为试验靶材，在强化之前对其各项性能进行测量，对其施加2n的载荷，并得到其表面显微维氏硬度为75.2hv；

按照本申请中的材料强化方法对该镁铝合金实施强化，强化完成之后，再次对强化后的镁铝合金各项性能进行测量，对其施加2n的载荷，在其他各项性能不下降的前提下，得到其表面显微维氏硬度为148.7hv，实现了轻质合金材料绝对强度的显著提高。