[實用新型]一種基于激光誘導空化的金屬表面強化裝置

有效

• 申請號: 201420107394.6
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN203782197U
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 郭鐘寧;黃詩彬;黃志剛;印四華;鄧宇;唐勇軍
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文;宋靜娜

技術領域

本實用新型涉及一種金屬表面強化裝置，具體涉及一種基于激光誘導空化的金屬表面強化裝置。

背景技術

金屬材料的失效形式主要是始于材料表面的疲勞、腐蝕和磨損，所以材料表面的結構和性能直接影響著材料的綜合性能。因此，國內外許多學者對各種金屬表面強化技術及其應用進行了深入地研究，并取得了一定的進展，使得金屬表面沖擊強化方法在軍工國防、航空航天、石油化工和海洋船舶等領域得到了廣泛應用。

目前，金屬表面強化技術主要包括噴丸、滾壓、擠壓、鍛打等傳統強化技術和近年來興起的激光沖擊強化技術（LSP）。傳統沖擊強化技術雖然對金屬表面的抗疲勞、抗磨損等性能起到一定的作用，但是相對激光沖擊強化技術而言，其適用范圍和強化效果相對較差。因此，近年來對于金屬表面強化技術的研究主要集中在激光沖擊強化技術。

激光沖擊強化是利用短脈沖（一般在50ns以內）、高功率密度（GW/cm²）的激光通過透明約束層，作用于金屬工件12所涂覆或粘附的吸收涂層14上，吸收涂層14吸收強脈沖激光束16的激光能量后迅速氣化，形成稠密的高溫、高壓等離子體17，該等離子體繼續吸收激光能量后急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料發生塑性變形并在表層產生平行于材料表面的拉應力。激光作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘余壓應力。其原理如附圖1所示。

該技術能大幅提高金屬材料的使用壽命，具有無機械和熱應力損傷、表面質量好、影響層深、可控性好和清潔環保等特點，大大地降低了零部件的維修成本，是目前應用廣泛、極具潛力的金屬表面強化技術。

目前，激光沖擊強化技術所使用的激光設備是脈沖能量為焦耳級別的納秒脈沖，設備的價格昂貴，而且由于激光系統工作于極限狀態而使可靠性偏低。同時，激光沖擊強化技術所使用的透明約束層15一般為光學玻璃或流水，光學玻璃無法滿足形狀比較復雜的局部沖擊區域，其加工適應性相對較差，而流水由于剛性不足，對沖擊波的約束效果較差，導致了激光沖擊效果的弱化。另外一個比較值得注意的問題是該強化技術能量利用率只有50%左右、相對比較低，其主要原因是涂覆在金屬表面的吸收層吸收激光能量最后形成的等離子體沖擊波只有大約50%作用于工件表面。

發明內容

本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足之處而提供一種基于激光誘導空化的金屬表面強化裝置。

為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案：一種基于激光誘導空化的金屬表面強化裝置，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設于所述工作液中的載物臺、安裝于所述載物臺上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設有用于通過激光束的透鏡組，所述工作液中分布有微細磨粒。

所述微細磨粒為本領域的已知產品，本領域技術人員可根據需要，選擇不同大小、形狀等微細磨粒，可以直接購于市場。

激光誘導空化沖擊強化技術是利用激光聚焦于工作液中，且焦點聚焦在金屬材料表面上方。在激光焦點位置會形成空化泡，在內外壓差的作用下，空化泡會逐漸生長，生長到一定程度時，將發生潰滅現象，潰滅過程會產生沖擊波和指向金屬材料表面的水射流。因此，可以在工作液中引入微細磨粒，利用沖擊波和水射流推動微細磨粒沖擊金屬材料表面，由于其壓強可以達到幾百個兆帕甚至幾個吉帕，材料表面將會獲得很高的殘余壓應力，從而實現對金屬材料表面的沖擊強化。

激光束和透鏡組組成光路系統，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點位置可調，實現空化泡的大小和形成位置，沖擊波、水射流的產生和強度可控，以便通過優化工藝有效控制金屬材料表面的沖擊強化效果。容器中盛放有工作液，激光聚焦到工作液中，誘導發生空化現象。容器中的工作液引入均勻分布的微細磨粒，利用空化過程產生的沖擊波和水射流推動微細磨粒運動，對金屬材料表面的進行沖擊強化。同時，可以通過改變微細磨粒的類型（如大小、種類等）來優化強化效果。高透玻璃覆蓋于工作液上方，有效地避免了激光在液面發生空化，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過高透玻璃，激光能量更加有效地作用于金屬材料的表面，同時也增加了空化過程產生沖擊波和水射流的強度，加強了沖擊強化的效果。