一种BCC金属薄板的激光冲击强化方法及应用

本发明涉及激光加工，具体涉及一种bcc金属薄板的激光冲击强化方法及应用，强化后的bcc金属适用于航空工业用的高温金属结构材料、发动机喷嘴、导弹、火箭推进器或航空发动机部件等。

背景技术：

1、钨(w)、钼(mo)、钽(ta)等具有体心立方结构bcc金属，具有较高强度和硬度、优异耐磨性和抗冲击能力，主要应用于结构材料、机械零件和工具制造等领域，在建筑、航空航天、汽车和能源等行业起着重要作用。bcc金属的高强度和硬度使其能够承受较大应力和负荷，提供良好的支撑和耐久性，作为建筑场所、桥梁和飞机等结构材料的理想选择。在机械领域，bcc金属广泛应用于制造机械零件，如轴、齿轮和螺栓等，其高强度和耐磨性使这些零件能够承受高压和频繁的运动，延长设备的寿命和可靠性。此外，bcc金属也在工具制造领域发挥重要作用，由于其耐磨性好，bcc金属制成的切削工具和刀具能够高效地进行切削加工，提高生产效率和产品质量。然而，随着科技快速发展，传统bcc金属使用寿命和可靠性往往无法满足各种复杂服役环境需求。表面严重塑性变形(surface severe plasticdeformation,s2pd)作为一种表面改性技术，通过对金属材料表面冲击或一定压力接触，引起弹塑性变形，并产生残余压缩应力、加工硬化和子结构细化等有益效果，进而实现强化材料强度、硬度和延展性，增强材料使用寿命和可靠性。

2、激光冲击强化(laser shock peening,lsp)作为一种典型高应变率表面严重塑性变形技术，能够实现梯度纳米结构(gradient nanostructure,gns)制备以及更深层次残余压缩应力(compressive residual stress,crs)形成。激光冲击强化中，金属材料使用短脉冲(纳秒以及甚至皮秒和飞秒水平)和高功率(gw/cm)激光器进行照射。在表面吸收层吸收能量并爆炸性汽化，形成高温(>107k)和高压(>gpa)等离子体。等离子体继续吸收激光能量，经历剧烈向外膨胀，形成激光冲击波(laser shock wave,lsw)。当等离子体压力超过金属材料雨贡纽弹性极限时，发生动态塑性变形。与此同时，激光冲击强化可以将金属材料晶粒尺寸细化到亚微米或纳米尺度，并使用“自上而下”的晶粒细化方法形成梯度纳米结构并产生更深层次残余压缩应力。通过梯度纳米结构和残余压缩应力作用，在试样内部会形成大量位错群、位错缠结和位错塞积以及纳米晶再结晶晶粒，并且再结晶晶粒内部同样会存在大量位错缠结，形成复杂位错网。利用激光冲击强化诱导的两种特征共同改善金属材料强度、硬度、疲劳和耐腐蚀性。现有技术中有人做了一些研究，如weiwei deng在论文《progressive developments,challenges and future trends in laser shock peeningof metallic materials and alloys:a comprehensive review》中就介绍了激光冲击强化方法应用，但其并未涉及到光学透光玻璃约束层与待处理薄板厚度的关系。

技术实现思路

1、针对现有工程应用环境下，所使用传统bcc金属强度和硬度往往无法满足各种复杂服役环境需求等问题，本发明第一个目的在于提供一种bcc金属薄板的激光冲击强化方法。该方法能够增强bcc金属薄板材料强度和硬度，且操作简单，成本低，绿色无污染，效果显著。

2、bcc金属薄板和一般bcc金属厚板或者块体不一样，其进行激光冲击强化时，极易出现薄板表面质量受损、内部应力集中、不均匀变形严重、强化效果低等问题。

3、本发明第二个目的在于提供上述强化方法所制备的激光冲击强化bcc金属薄板。

4、本发明第三个目的在于提供上述强化方法所制备激光冲击强化优质bcc金属薄板的应用。

5、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

6、一种bcc金属薄板的激光冲击强化方法，该方法是采用激光冲击强化技术对bcc金属材料进行强化处理，该方法具体包括如下步骤：

7、(1)bcc金属材料薄板表面预处理：激光冲击强化处理前，对厚度100～1000μm的bcc金属材料试样表面进行预处理，保证试样上没有残留有机物和其他杂质。

8、优选方案，将试样放置于无水乙醇中，随后将其置于超声清洗机，设置超声频率40～100khz，清洗温度20～35℃，超声振荡清洗10～30min。

9、发明人发现，无水乙醇具有良好溶剂能力，可以有效清除表面油脂、有机杂质和污垢。超声波在液体中引起高频振动可以产生微小的气泡，这些气泡坍塌时能够产生强烈局部冲击力，从而将污垢有效地从表面清除。然而，过高超声频率和温度可能会导致材料表面微小颗粒和氧化物剥离，从而引起表面破坏或损伤。甚至超声场会导致材料中晶粒受到应力和位错影响，超过材料原本晶格能力范围，长时间作用下可能导致晶粒长大。过低超声温度和超声频率则无法利用无水乙醇彻底清除干净表面有机物和其他杂质。

10、进一步优选，所述无水乙醇超声振荡清洗中，超声频率80khz，超声清洗温度25℃，超声清洗时间20min。

11、优选方案，取出无水乙醇超声清洗后试样，置于去离子水中，同样将其置于超声清洗机，设置超声频率30～100khz，清洗温度20～25℃，超声振荡清洗10～20min。然后取出清洗后试样，使用0.5～1mpa氮气气枪干燥表面水分，最后将其置于真空干燥箱中，温度设置100～150℃，干燥10～20min，保证完全除去表面水分。

12、发明人发现，使用无水乙醇超声清洗bcc金属表面可能留下微量溶剂残留物。为了确保表面纯净度，可以使用去离子水再次清洗，去除残留无水乙醇以及其他可能杂质。同时，需要注意到去离子水超声清洗去除表面残留无水乙醇后，bcc金属表面会残留水分，容易引起金属表面氧化和腐蚀。为了确保金属表面纯净度和干燥度，防止氧化和腐蚀发生，使用氮气气枪和真空干燥箱进行干燥是一种常用方法。因为氮气是干燥无色无味气体，不含水分和其他杂质，可以有效地吹干金属表面，防止水分残留引起腐蚀。同样，去离子水超声清洗时，需要选取合适超声频率、温度和时间；氮气气枪干燥表面水分时，需要选取合适压力，可以确保有效地除去水分，而不会对金属表面造成损害。压力过低可能导致吹干不彻底，而压力过高可能造成金属表面刮伤；真空干燥箱彻底干燥时，也需要选取合适温度和时间，以免过高温度或过长时间引起损害。

13、进一步优选，所述去离子水超声振荡清洗中，超声频率50khz，超声清洗温度25℃，超声清洗时间15min；所述氮气气枪压力0.5mpa；所述真空干燥箱干燥温度120℃，干燥时间15min。

14、(2)施加约束层：预处理完的bcc金属材料试样安装在工作台上，在正面和背面分别施加一层厚度50～500μm的光学透光玻璃约束层，且单层光学透光玻璃约束层厚度为bcc金属厚度的1/3～3/5。

15、发明人发现，激光冲击强化bcc金属，添加适当厚度约束层能够增加bcc金属强度和耐久性，并防止材料在冲击过程中发生破裂或变形。适当厚度约束层能够限制材料的自由变形，分担冲击时产生的应力，减轻材料疲劳损伤和变形，并控制材料形状变化。这样可以提高材料强度，增加抗拉强度和韧性，减少应力集中和裂纹产生，从而提高材料耐久性和加工精度，使其更适用于工业和工程应用。金属正面约束层主要起到保护和隔离的作用。它可以防止激光冲击波对金属表面造成过大变形和损伤，减少表面裂纹形成。还能够控制激光冲击波传播范围，确保它只作用于金属表面，从而使金属表面受到均匀冲击力。金属背面约束层主要起到支撑和反射作用。当激光冲击波作用于金属表面时，约束层在金属背面形成一定反作用力，通过支撑金属材料，减缓或阻碍冲击波进一步扩展。这有助于减少金属内部应力和变形，并提高金属材料疲劳寿命和抗裂纹扩展能力。此外，约束层厚度在激光冲击强化bcc金属中扮演着重要角色。过厚约束层可能导致应力集中、降低冲击效果和加工困难；过薄约束层则可能导致约束效果不显著、强化效果有限和不利应力对材料的影响。因此，适当选择约束层厚度可以提供更稳定的加工过程和尺寸控制，是确保激光冲击强化bcc金属获得最佳性能和加工质量的关键因素。

16、进一步优选，所述光学透光玻璃约束层厚度为bcc金属厚度的1/3～1/2。

17、(3)激光冲击处理：将施加约束层的bcc金属材料试样工作端面朝向激光束，以脉冲宽度1～10ns，波长200～1000nm，激光能量10～50j，重复频率0.1～10hz，光束直径0.5～5mm的激光进行冲击处理。

18、发明人发现，激光冲击处理过程中，选择合适脉冲宽度、波长、激光能量、重复频率和光束直径是激光冲击强化bcc金属的关键因素。脉冲宽度应适度缩短可以提高表面质量；波长选择要考虑材料吸收能力；激光能量和重复频率取决于冲击效果和加工速度的平衡；合适光束直径控制作用深度保证冲击区域一致性。

19、此外，过大脉冲宽度会导致热传导和热影响区域扩大，加热时间过长会引起过多热量传递到材料周围区域，扩大未被加热到的区域，降低冲击强化效果；过小脉冲宽度虽然可以产生高温和快速冷却，但如果脉冲过短，材料无法充分吸收能量，加热过程无法有效进行。波长过大，光子能量低，对金属吸收能力弱，材料可能无法充分吸收激光能量，导致热量传导到周围区域，影响强化效果；波长过小，光子能量高，虽然能够提供更高加热温度，但会导致过度热损伤并影响热膨胀及冷却能力。激光能量过大会超过材料熔点或汽化温度，导致过度热损伤，过度热传导也会扩大热影响区域，影响冲击强化效果；激光能量过小无法提供足够加热和冷却能量，无法达到必要温度和热膨胀状态，导致加工效果不理想。重复频率过大，会导致金属材料无法充分冷却。连续脉冲加热会导致温度累积和热传导，使金属材料无法达到足够冷却时间，从而可能导致过度加热和变形，甚至对材料造成损坏。重复频率过小，金属材料加热和冷却循环时间变长。这可能会导致加热过程无法连续进行，影响冲击强化的效果。光束直径过大会导致总能量密度降低、能量损失过多，无法提供足够能量密度来实现有效加热和冲击强化效果，并且导致较大热影响区域和热传导，降低精度和加工效率；光束直径过小，会导致金属过度加热、融化或汽化，并增加因为热传导扩散到周围区域导致过度加热和热损伤风险，降低冲击强化效果。

20、本发明提供了上述强化方法所强化的高强度、高硬度以及耐腐蚀和疲劳性优异的bcc金属，包括w、mo、ta等。

21、当处理bcc金属材料为w、尺寸5mm*5mm*0.3mm时，优选方案为：约束层厚度100μm、脉冲宽度5ns、波长527nm、激光能量30j、重复频率5hz、光束直径2mm。

22、当处理bcc金属材料为w、尺寸5mm*5mm*0.1mm时，优选方案为：约束层厚度50μm、脉冲宽度5ns、波长527nm、激光能量15j、重复频率3hz、光束直径2mm。

23、当处理bcc金属材料为w、尺寸5mm*5mm*0.5mm时，优选方案为：约束层厚度200μm、脉冲宽度3ns、波长527nm、激光能量35j、重复频率5hz、光束直径2mm。

24、当处理bcc金属材料为w、尺寸3mm*3mm*0.1mm时，优选方案为：约束层厚度50μm、脉冲宽度6ns、波长527nm、激光能量15j、重复频率2hz、光束直径1mm。

25、当处理bcc金属材料为w、尺寸3mm*3mm*0.5mm时，优选方案为：约束层厚度200μm、脉冲宽度4ns、波长527nm、激光能量35j、重复频率4hz、光束直径1mm。

26、当处理bcc金属材料为mo、尺寸5mm*5mm*0.5mm时，优选方案为：约束层厚度250μm、脉冲宽度6ns、波长527nm、激光能量30j、重复频率3hz、光束直径2mm。

27、当处理bcc金属材料为mo、尺寸5mm*5mm*0.3mm时，优选方案为：约束层厚度150μm、脉冲宽度8ns、波长527nm、激光能量20j、重复频率3hz、光束直径2mm。

28、当处理bcc金属材料为ta、尺寸5mm*5mm*0.5mm时，优选方案为：约束层厚度300μm、脉冲宽度7ns、波长527nm、激光能量20j、重复频率3hz、光束直径2mm。

29、当处理bcc金属材料为ta、尺寸5mm*5mm*0.3mm时，优选方案为：约束层厚度180μm、脉冲宽度9ns、波长527nm、激光能量15j、重复频率2hz、光束直径2mm。

30、(4)激光冲击后处理：激光冲击处理后，将bcc金属材料试样放无水乙醇中，随后将其置于超声清洗机，设置超声频率50～100khz，清洗温度20～25℃，超声振荡清洗10～20min。接着取出清洗后试样置于去离子水中，同样将其置于超声清洗机，设置超声频率50～100khz，清洗温度20～25℃，超声振荡清洗10～20min。最后取出清洗后试样，使用0.5～1mpa的氮气气枪干燥表面。

31、发明人发现，激光冲击强化bcc金属过程中，会产生一些不良效应，如表面残余物和熔化层，因此需要进行清洗。选择无水乙醇超声清洗的原因是它具有良好溶解性能，能溶解金属表面污垢和残留物质，并且不会引入水分，避免金属腐蚀和氧化。同时，超声波的运用可以帮助将污垢从金属表面脱落，确保金属材料性能和质量。与bcc金属激光冲击强化前预处理相同，无水乙醇超声振荡清洗参数需要进行适当筛选，后续去离子水超声清洗以及氮气气枪干燥的参数同样需要选择适当。

32、进一步优选，所述无水乙醇超声振荡清洗中，超声频率80khz，超声清洗温度25℃，超声清洗时间10min；所述去离子水超声振荡清洗中，超声频率50khz，超声清洗温度25℃，超声清洗时间10min；所述氮气气枪压力0.5mpa。

33、本发明还提供了上述强化方法所强化的w、mo、ta等bcc金属的应用，将所述bcc金属应用于高温结构材料、高速切削工具、电极、灯丝、电子元器件和电阻器、超导磁体和电力输电线路中的至少一种。

34、有益效果

35、本发明根据通过设计合理的试样激光冲击预处理、激光冲击后处理方案以及合适厚度约束层以及约束层和待处理薄板厚度比例，可以有效防止试样表面微裂纹萌生，并且保证试样激光冲击波有效利用，降低损伤率。

36、本发明通过设计合适的激光冲击参数，包括脉冲宽度、波长、激光能量、重复频率、光束直径，能够使得bcc金属材料表面显微硬度提高20～40％。

37、本发明设计的激光冲击强化方法，通过引起bcc金属试样弹塑性变形，产生残余压缩应力，使得试样内部形成大量位错群、位错缠结和位错塞积以及纳米晶再结晶晶粒，并且再结晶晶粒内部同样会存在大量位错缠结，形成复杂位错网，改善材料强度和硬度。

38、本发明提供的激光强化bcc金属可应用于高温结构材料、高速切削工具、电极、灯丝、电子元器件和电阻器、超导磁体和电力输电线路等，大幅拓宽bcc金属材料的应用。