[發明專利]提高激光高溫噴丸約束效果的方法及裝置

有效

• 申請號: 201310197205.9
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN103266204A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 黃舒;孟憲凱;周建忠;盛杰;王宏宇;韓煜航;朱煒立;鐘輝;田清;戴磊
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D7/06
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種激光沖擊成形技術，尤其是一種適用于沖擊成形溫度在100~450℃范圍內的高溫激光沖擊成形方法及裝置，具體地說是一種利用高壓脈動沖氣體作為約束介質來提高激光高溫噴丸約束效果的方法及裝置。

背景技術

????目前，激光溫噴丸，又稱為基于溫度輔助的激光噴丸，是一種新型的表面強化技術，通過在一定的溫度效應下進行激光沖擊，可在材料中產生更高的位錯密度以及位錯纏結，同時伴隨著動態應變時效和動態析出的出現。這些特點決定了激光溫噴丸能夠達到比機械噴丸更加優良的表面強化效果。同時，激光溫噴丸能夠通過動態應變時效和動態析出產生比常溫激光噴丸和機械噴丸更加穩定的殘余壓應力，這也說明激光溫噴丸能在一定程度上降低噴丸對材料的機械損傷，從而顯著提高材料的疲勞強度。激光誘導沖擊，是使高能激光束照射在黑漆等吸收層上產生等離子體，因為等離子體能夠快速吸收激光能量產生爆炸，從而產生沖擊壓力，激光誘導的沖擊壓力一般需要通過約束層的約束達到較好的噴丸效果。激光噴丸最常用的約束層為流水層，但是由于流水在較高的溫度下會產生氣泡甚至汽化蒸發，這會阻礙激光在流水約束層中的傳播，降低噴丸的效果，所以激光噴丸常用的流水約束層不能用于激光溫噴丸。因此，如何在較高的溫度下有效地約束激光誘導的沖擊壓力已經成為機械相關領域的焦點問題。

目前激光噴丸常用的約束方法有柔性約束和剛性約束。

柔性約束，主要是利用柔性介質對激光噴丸產生的壓力進行約束，包括流水約束以及柔性貼膜約束。流水約束，是在基體表面制造一層1~5mm的流水層，激光透過流水層在基體表面誘導產生等離子體爆炸，從而利用流水層對沖擊壓力進行約束。例如專利號為CN102212655A的專利申請，提出了一種激光沖擊方法，激光沖擊過程中使用水膜作為約束層，這種約束方法在常溫下可以對激光誘導壓力起到約束的效果，但是也存在以下幾點不足：（1）流水約束層由于較低的沸點不適用于溫度較高的場合；（2）流水約束層屬于柔性約束，約束效果較差；（3）流水約束層由于流水厚度難以控制，所以基體表面殘余應力不均勻，且無法適用于復雜表面。柔性貼膜，是在基體表面粘貼具有約束效果的柔性材料實現約束，例如專利號為CN1404954A的專利申請，提出了一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜，該方法利用有機硅凝膠材料制作成柔性貼膜，覆蓋在基體表面實現約束，但是存在以下幾點不足：（1）有機硅凝膠材料在高溫下融化為液態，由于貼合過程中貼膜與基體之間很容易進入空氣，所以溶化后形成氣泡，降低約束效果；（2）激光沖擊過程中等離子體溫度極高，有機硅凝膠材料容易燃燒，降低約束效果，安全性不高。剛性約束，主要是通過剛性透明介質對激光誘導壓力進行約束，目前主要是耐高壓玻璃，例如K9玻璃。例如專利號為CN102492805A的專利申請，提出了一種采用深冷激光沖擊強化金屬材料的方法與裝置，該方法在激光沖擊過程中采用K9玻璃作為約束層對激光誘導壓力進行約束，??雖然這種方法可以在常溫以及低溫下起到約束效果，但是也存在以下缺點：（1）由于激光誘導產生的沖擊壓力容易在玻璃上產生應力集中，從而導致玻璃上產生裂紋甚至破裂，降低噴丸效果；（2）K9玻璃在高溫下會產生軟化效應，更容易產生裂紋甚至斷裂，從而導致噴丸的效果降低。

與本發明最為接近的為公開號為CN102560079A的專利申請，該專利申請提出了一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法及其裝置，該方法是采用高壓氣體連續噴射到基體表面，對激光誘導沖擊壓力進行約束，這種方法在常溫下可以起到約束的效果，但是還存在以下缺點：（1）激光誘導沖擊是利用激光誘導的等離子體爆炸所產生的壓力對材料表面進行噴丸，連續高壓氣體在等離子凝聚之前已經存在，高壓氣體脫離基體表面會帶走部分等離子體，從而影響等離子體在基體表面的凝聚，降低激光誘導沖擊壓力；（2）對于激光溫噴丸而言，連續高壓氣體會明顯降低基體表面的溫度，從而該方法不適用于激光溫噴丸的場合。

本發明提出了一種使用高壓脈沖氣體作為激光溫噴丸約束層的方法及裝置。該方法可以克服上述技術的缺點，適用于較高溫度和復雜表面的情形，同時優化了對激光誘導沖擊壓力的約束效果，大幅提高激光溫噴丸約束層的有效性和可靠性。

通過對國內外文獻進行檢索，目前還沒有發現使用高壓脈沖氣體作為激光誘導壓力約束層的方法及裝置，本發明為首次提出該方法及裝置。

發明內容