一种激光冲击压印复合强化方法与流程

本发明涉及激光材料改性的技术领域，具体涉及一种激光冲击压印复合强化方法。

背景技术：

强度和韧性是金属或金属复合材料应用中至关重要的两个性能，然而强度高的材料往往延展性差，而韧性好的材料往往强度低，很难同时取得高强度和高韧性。

现有的针对工件的强化方法比如表面机械摩擦处理和表面机械研磨处理等能够显著提高工件强度，但是，这些方法通常在提高强度的同时造成了材料延展性的显著降低，不利于材料的工程应用。通过检索发现，专利申请号us20130180969a1的现有美国专利《lasershockpeeningapparatusesandmethods》提出采用提高材料温度或降低材料温度或添加与能量场作用的活性材料来增强激光冲击强化效果。它的缺点在于，对材料表面整体处理在提高强度的同时造成了材料延展性的显著降低，也就是处理后的材料表面易产生脆性裂纹，不利于工件的工程应用。专利申请号201010278889.1的现有中国专利《一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法》提出采用高功率连续激光辅助脆硬材料激光喷丸强化的方法。该方法虽然能处理脆硬材料，但是处理后材料表面硬度进一步提高，延展性进一步下降，容易造成承载构件的突发断裂及失效。因此，现有专利提出的装置及方法在同时提高材料硬度和延展性的应用中存在较大缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光冲击压印复合强化方法，可通过三维梯度微结构效应同时增加金属或金属复合材料的强度和延展性，并能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

本发明实现目的所采用的方案是：一种激光冲击压印复合强化方法，包括以下步骤：

(1)在待处理金属工件表面铺设金属网；

(2)在金属网表面放置激光烧蚀保护层并于所述保护层的表面涂覆吸收层；

(3)在吸收层表面设置透明约束层进行基于脉冲激光烧蚀的冲击压印复合强化；

(4)调整金属网与受一次选择区域强化的工件之间的相对位置，产生一定平面相对位移或一定夹角，进行第二次或者多次激光冲击压印复合强化。

优选地，所述步骤(1)中，金属网为不锈钢网，孔洞直径为50-1000μm。

优选地，所述步骤(2)中，吸收层的厚度为100-200nm。

优选地，所述步骤(2)中，吸收层为石墨层或油漆层。

优选地，所述步骤(3)中，透明约束层为透明固体或者透明液体.

优选地，透明固体为bk-7玻璃或石英玻璃，透明液体为水或者硅油。

优选地，所述步骤(4)中，金属网与受一次选择区域强化的工件之间的夹角为0-45°之间；金属网与受一次选择区域强化的工件之间的位移为1-3mm。

优选地，所述步骤(3)和步骤(4)中，采用纳秒激光器进行激光冲击强化处理，光斑直径为10-50μm，激光脉冲宽度小于1微秒。

本发明的强化机理是：脉冲激光对吸收层进行烧蚀产生等离子体，等离子体膨胀受到上层透明约束层的约束产生高强度应力波，应力波通过金属网进行选择区域的激光冲击压印复合强化，从而在工件表面选择区域产生表面晶粒细化和表面压缩应力层，冲击强化区域非结晶相到非强化区域结晶相之间呈现梯度过度，从而产生三维梯度的微结构分布，达到同时增强材料强度和延展性的效果，进而能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

本发明具有以下优点和有益效果：通过采用本发明的激光冲击压印复合强化方法，可通过三维梯度微结构效应同时增加金属或金属复合材料的强度和延展性，并能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

附图说明

图1为本发明的激光冲击压印复合强化的工艺示意图；

图2为本发明方法的三维梯度微结构的强化效果图。

图中，101-待处理金属或金属复合工件材料，102-强度金属网，103-激光烧蚀保护层，104-激光能量吸收层，105-高冲击阻抗的bk-7玻璃，106-脉冲激光，107-受一次选择区域激光强化的工件，108-冲击强化非结晶区域。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，为基于激光冲击压印复合强化方法的工艺示意图。对纯铜板材进行激光冲击压印复合强化处理：在待处理纯铜板101表面铺设购置的具有50μm大孔洞的不锈钢网102；在不锈钢网102上方放置激光烧蚀保护层103并涂刷或喷涂石墨吸收层104；放置高冲击阻抗的bk-7玻璃作为透明约束层105并进行基于脉冲激光106烧蚀的冲击压印复合强化；调整不锈钢网102与受一次选择区域强化的工件107之间的相对位置，产生一定平面相对位移或一定夹角，进行第二次或者多次激光冲击压印复合强化。

如图2所示，为基于激光冲击压印复合强化方法的三维梯度微结构的强化效果图，108为冲击强化非结晶区域。本发明的强化机理是：脉冲激光106对石墨吸收层104进行烧蚀产生等离子体，等离子体膨胀受到上层透明约束层105的约束产生高强度应力波，应力波通过不锈钢网102进行选择区域的激光冲击压印复合强化，从而在工件表面选择区域产生表面晶粒细化和表面压缩应力层，冲击强化区域非结晶相到非强化区域结晶相之间呈现梯度过度，从而产生三维梯度的微结构分布，达到同时增强材料强度和延展性的效果，进而能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

用流动的透明液体如水等替代实施例1中的bk-7玻璃可以取得同样的技术效果。

实施例2

与图1所示类似，对钢板材料进行快速选择区域激光强化处理：在待处理钢板表面铺设购置的具有50μm大孔洞的高强度不锈钢网；在不锈钢网上方放置激光烧蚀保护层并涂刷或喷涂石墨吸收层；放置高冲击阻抗的bk-7玻璃作为透明约束层并进行基于脉冲激光烧蚀的冲击压印复合强化；调整不锈钢网与受一次选择区域强化的工件之间的相对位置，产生一定平面相对位移或一定夹角，进行第二次或者多次激光冲击压印复合强化。

本实施例的激光冲击压印复合强化方法的三维梯度微结构的强化效果图与图2类似，本发明的强化机理是：脉冲激光对石墨吸收层进行烧蚀产生等离子体，等离子体膨胀受到上层透明约束层的约束产生高强度应力波，应力波通过不锈钢网进行选择区域的激光冲击压印复合强化，从而在工件表面选择区域产生表面晶粒细化和表面压缩应力层，冲击强化区域非结晶相到非强化区域结晶相之间呈现梯度过度，从而产生三维梯度的微结构分布，达到同时增强材料强度和延展性的效果，进而能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种激光冲击压印复合强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在待处理金属工件表面铺设金属网；

(2)在金属网表面放置激光烧蚀保护层并于所述保护层的表面涂覆吸收层；

(3)在吸收层表面设置透明约束层进行基于脉冲激光烧蚀的冲击压印复合强化；

(4)调整金属网与受一次选择区域强化的工件之间的相对位置，产生一定平面相对位移或一定夹角，进行第二次或者多次激光冲击压印复合强化。

2.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属网为不锈钢网，孔洞直径为50-1000μm。

3.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，吸收层的厚度为100-200nm。

4.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，吸收层为石墨层或油漆层。

5.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(3)中，透明约束层为透明固体或者透明液体。

6.如权利要求5所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述透明固体为bk-7玻璃或石英玻璃，所述透明液体为水或者硅油。

7.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(4)中，金属网与受一次选择区域强化的工件之间的夹角为0-45°之间；金属网与受一次选择区域强化的工件之间的位移为1-3mm。

8.如权利要求1所述的激光冲击压印复合强化方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(4)中，采用纳秒激光器进行激光冲击强化处理，光斑直径为10-50μm，激光脉冲宽度小于1微秒。

技术总结
本发明涉及激光材料改性的技术领域，具体涉及一种激光冲击压印复合强化方法，包括以下步骤：(1)在待处理金属工件表面铺设金属网；(2)在金属网表面放置激光烧蚀保护层并于所述保护层的表面涂覆吸收层；(3)在吸收层表面设置透明约束层进行基于脉冲激光烧蚀的冲击压印复合强化；(4)调整金属网与受一次选择区域强化的工件之间的相对位置，产生一定平面相对位移或一定夹角，进行第二次或者多次激光冲击压印复合强化。通过采用本发明的激光冲击压印复合强化方法，可通过三维梯度微结构效应同时增加金属或金属复合材料的强度和延展性，并能增强材料疲劳性能和断裂韧性。

技术研发人员：胡耀武;程佳瑞;刘胜;叶畅
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2020.09.04
技术公布日：2020.12.15