[發明專利]一種評估激光噴丸強化效果的方法

有效

• 申請號: 201610003175.7
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105651957B
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 張永康;劉新祥;戴峰澤;羅紅平
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G01N33/20
• 分類號: G01N33/20
• 代理公司: 廣州市南鋒專利事務所有限公司 44228
• 代理人: 劉媖;梁華行

本發明公開了一種評估激光噴丸強化效果的方法，其包括以下步驟：S1、確定材料所需的殘余壓應力層深度的范圍；S2、取樣表面打磨并拋光，使其表面的平面度低于0.1微米；S3、采用高功率密度納秒脈沖激光對試樣的待處理表面進行激光噴丸強化處理；S4、去除約束層，測量出凹坑深度d；S5、根據經驗公式Lp=ε*d+c計算獲得殘余壓應力層的深度Lp，評估激光噴丸強化效果，若Lp不在最佳強化效果范圍內，則修改參數，重復S2至S4，直至Lp在最佳強化效果范圍內。本發明通過測量激光噴丸強化預制金屬試樣的凹坑深度表征激光噴丸強化的效果，具有方便快捷的特點，同時可以靈活快速地為激光噴丸強化參數的優化提供依據。

技術領域

本發明涉及一種材料表面加工評估方法，尤其涉及一種評估激光噴丸強化效果的方法。

背景技術

激光噴丸強化是一種新型的材料表面強化技術，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規噴丸技術相比，其殘余壓應力層更深。激光噴丸的原理是利用脈沖激光（能量1~100J，脈寬10~30ns）在約束狀態下（水膜或玻璃）跟吸收層（鋁箔或其他材料）產生等離子爆炸，可產生強度高達幾個吉帕斯卡的壓力，該壓力通過吸收層傳播至工件，可對工件表層產生高幅殘余壓應力，由于吸收層的保護作用，工件表面不會受到熱灼燒。21世紀初，美國將激光噴丸技術應用到F101、F119和F414發動機葉片的強化和再制造上。

激光噴丸強化中涉及到的參數非常多，主要包括激光脈寬為PW、激光功率密度P、激光光斑直徑φ、約束層厚度Tc、吸收層厚度Ta等，這些參數之間相互影響，關系復雜，因此很難通過這些參數來預測激光噴丸強化的效果。評估激光噴丸強化后試樣的殘余壓應力層深度Lp，一般每次都要采用逐層電解拋光和X射線應力測試儀進行，需要進行破壞性試驗，步驟復雜、耗時長。

發明內容

針對現有技術不足，本發明要解決的技術問題是提供一種評估激光噴丸強化效果的方法，可以快捷方便的評估激光噴丸強化的效果并為便于選擇激光噴丸強化的參數。

為了克服現有技術不足，本發明采用的技術方案是：一種評估激光噴丸強化效果的方法，其包括以下步驟：S1、根據材料的應用場合及其使用要求，確定材料所需的殘余壓應力層深度的范圍；S2、從待處理金屬材料上取樣，將該樣品的待處理表面進行手工打磨并拋光，保證試樣待處理表面的平面度低于0.1微米，制成激光噴丸強化試樣；S3、采用高功率密度納秒脈沖激光，以激光脈寬PW、激光功率密度P、激光光斑直徑φ、約束層厚度Tc、吸收層厚度Ta對試樣的待處理表面進行激光噴丸強化處理；S4、去除約束層，保證激光噴丸強化處理后形成的微凹坑表面不被劃傷，并在丙酮溶液中進行超聲清洗，測量出凹坑深度d；S5、使用凹坑深度d，使用測算值或經驗值作為系數ε和補償值c，根據經驗公式Lp= ε*d+c計算獲得殘余壓應力層的深度Lp，其中ε和c為常數，不同種類的金屬ε和c也不同，d為凹坑深度，評估激光噴丸強化該種金屬材料的效果，若Lp不在最佳強化效果范圍內，則修改激光噴丸強化參數，重復S2至S4，直至Lp在最佳強化效果范圍內。

作為本發明評估激光噴丸強化效果的方法的技術方案的一種改進，在步驟S4后設置步驟S4.1、對試樣進行逐層電解腐蝕，并采用X射線衍射儀測量凹坑中心位置的殘余應力狀態，獲得殘余壓應力層深度Lp；S4.2、重復S2至S4及S4.1，根據殘余壓應力層深度的經驗公式Lp= ε*d+c，計算出系數ε和補償值c的數值作為測算值，并記錄入庫作為經驗值。

作為本發明評估激光噴丸強化效果的方法的技術方案的一種改進，取樣尺寸為10mm×10mm×10mm立方體。

作為本發明評估激光噴丸強化效果的方法的技術方案的一種改進，所述高功率密度脈沖激光的功率密度P為10⁹W/cm²~10¹⁰W/cm²，脈沖寬度PW為5~30ns；所述高功率密度脈沖激光聚焦后的光斑直徑φ大于2mm。