[發明專利]一種基于激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法及裝置

有效

• 申請號: 201610817206.2
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN106399663B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 周建忠;孟憲凱;蘇純;盛杰;徐家樂;黃舒;李京
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;C21D6/04;C22F1/00;C22F3/00
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本發明提供了一種基于激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法及裝置，其工作原理為利用高功率激光束照射摻雜吸收體粉末的液氮產生局部高溫等離子體，液氮在高溫等離子體作用下迅速氣化膨脹形成高速高壓氣流，并在低溫環境下沖擊金屬表面實現表面強化。本發明有效避免了傳統激光沖擊強化技術在液氮環境中液氮蒸汽對激光的阻礙作用，同時將激光誘導的等離子體膨脹壓力與液氮汽化壓力相結合，顯著提高了沖擊波壓力。另外，本發明可以通過多個激光脈沖實現汽化腔連續蓄壓，進一步增加金屬表面的沖擊波壓力進而提高其表面強化效果。

技術領域

本發明涉及表面強化領域以及激光加工技術領域。尤其是一種利用激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法及裝置。

背景技術

深冷激光沖擊技術利用超低溫-高應變率耦合效應，可以顯著改善材料的微觀組織以及殘余應力狀態，大幅提高材料的抗疲勞性能以及耐磨耐蝕性能。但是受到吸收層與約束層的影響，深冷激光沖擊過程中依然存激光能量利用率低以及沖擊波壓力過低等關鍵技術問題。

目前，激光沖擊強化過程中的約束層可以分為剛性約束層與柔性約束層兩大類。常見的剛性約束層為光學玻璃，例如專利號為CN201110422502的發明專利提出一種采用深冷激光沖擊強化金屬材料的方法與裝置，其使用K9玻璃作為約束層，實現了深冷激光沖擊強化，但仍存在以下缺點：(1)低溫下空氣中的水份會吸附在光學玻璃上形成水滴或冰粒，降低了光學玻璃的透光率，從而激光能量利用率嚴重降低；；(2)低溫下，K9玻璃在沖擊波壓力作用下極易出現裂痕或完全破碎，影響激光沖擊波的約束效果。常見的柔性約束層包括水，硅油等透明物質，例如專利號為CN200510094810與CN201310527671的發明專利，分別使用水簾與硅油作為激光沖擊強化技術的約束層。水在常溫環境中以及硅油在高溫環境下可以獲得較好的沖擊強化效果，但是這些柔性介質在低溫下的流動性受到限制，甚至冷凝為固態，透光率嚴重降低，約束效果也顯著下降。

由于液氮是無色透明的介質，具有較高的透光率，因此專利號CN105063284A的專利申請使用液氮作為制冷劑的同時充當約束層，提出一種高透光率的深冷激光沖擊頭及激光沖擊系統，通過隔溫陶瓷/塑料以及真空隔溫方法，提高了激光的透光效率，進而提高了沖擊波壓力。但仍存在以下不足：(1)吸收層為鋁箔，搭接率較高或重復多次沖擊時已噴丸區域由于鋁箔汽化會降低其激光吸收率，進而降低激光能量利用率并削弱沖擊波壓力；(2)沖擊波壓力完全依賴于激光束的功率密度，受激光器能量的限制，該方法難以適用于超硬材料的表面強化處理。

本發明提出一種利用激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法及裝置，可以突破吸收層與約束層的限制，進而獲得比傳統激光沖擊強化方法更高的激光能量利用率以及更高的沖擊波壓力。通過對國內外文獻進行檢索，目前還沒有發現利用激光誘導高溫等離子體進而產生液氮氣化膨脹的表面強化方法及裝置，也未發現相關方法在深冷激光沖擊強化領域應用的相關報道，本發明為首次提出該方法及裝置。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提出一種利用激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法及裝置，可有效避免傳統激光沖擊強化技術在液氮環境中液氮蒸汽對激光的阻礙作用，同時將激光誘導的等離子體膨脹壓力與液氮汽化壓力相結合，顯著提高金屬表面的沖擊波壓力，進而有效增加表面強化效果。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種基于激光誘導高溫等離子體技術的深冷激光沖擊強化方法，其特征在于，利用高功率激光束照射摻雜吸收體粉末的液氮，所述吸收體粉末的平均直徑不超過200μm的黑漆粉末或平均直徑不超過100μm的鋁粉，局部吸收體粉末吸收高功率激光迅速氣化產生高溫等離子體，高溫等離子體迅速膨脹的同時促使周圍液氮急速氣化膨脹，形成高速高壓氣流，等離子體膨脹壓力以及液氮氣化膨脹壓力使汽化腔壓力迅速上升，在低溫環境下沖擊金屬表面實現表面強化。

進一步地，利用高功率激光束多次沖擊金屬表面不同區域，可實現試樣表面的區域強化。