[發(fā)明專利]利用表面微織構(gòu)去除殘余應(yīng)力洞的工件表面激光沖擊工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610880917.4
• 申請(qǐng)日: 2016-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN106435158B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹宇鵬;陳浩天;花國然;王恒;蔣蘇州;陳怡平;馬建軍;朱娟;朱珉睿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類號(hào): C21D10/00
• 分類號(hào): C21D10/00;C21D11/00;C22F1/053
• 代理公司: 南京同澤專利事務(wù)所(特殊普通合伙)32245
• 代理人: 蔡晶晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及利用表面微織構(gòu)去除殘余應(yīng)力洞的工件表面激光沖擊工藝，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shocking Peening，LSP）技術(shù)，也稱激光噴丸技術(shù)。激光沖擊強(qiáng)化是使用高功率密度（GW/cm²量級(jí)）、短脈沖（10-30ns量級(jí)）的激光通過約束層輻照于金屬表面所涂覆的能量吸收層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量密集的高溫（710K）、高壓（>1GPa）等離子體。約束層能夠有效增強(qiáng)激光沖擊波的壓力并延長其持續(xù)時(shí)間，阻礙等離子體爆炸，增強(qiáng)激光能量耦合，顯著改善激光沖擊的強(qiáng)化效果。

表面微織構(gòu)工藝目前被證明可以有效改善材料表面摩擦磨損性能和承載能力的一種手段。近年來，通過在摩擦副上加工出一系列的微圖形陣列在表面改性技術(shù)中得到了越來越多的關(guān)注。并且，在仿生摩擦學(xué)探究過程中發(fā)現(xiàn)，表面的抗磨程度并非與其光滑程度成正比，反而有一定粗糙形態(tài)的表面具有更好的抗磨性能。

激光沖擊強(qiáng)化被廣泛應(yīng)用于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度，在通常情況下，激光的光斑中心是殘余壓應(yīng)力最大的區(qū)域，但隨著激光強(qiáng)度的增大，原有的等雙軸分布的殘余應(yīng)力現(xiàn)象消失，變?yōu)橐环N最大殘余壓應(yīng)力沒有出現(xiàn)在光斑中心的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為“殘余應(yīng)力洞”，主要表現(xiàn)為沖擊中心區(qū)域殘余壓應(yīng)力缺失。“殘余應(yīng)力洞”的現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致激光沖擊強(qiáng)化光斑中心壓應(yīng)力缺失，甚至形成拉應(yīng)力，使光斑形成較大的應(yīng)力梯度，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中極易引起經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后的工件產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重降低壽命。

通過“光學(xué)二元衍射”方法將Gauss 圓光斑改為均勻方光斑，可以有效抑制“殘余應(yīng)力洞”的形成，形成較為均勻的殘余壓應(yīng)力層，但是方光斑形成的表面最大殘余壓應(yīng)力值和塑性影響層深度都會(huì)發(fā)生一定程度的降低，同時(shí)加工成本較高。或者采用圓形光斑進(jìn)行搭接，常采用70%的搭接率才可以降低殘余應(yīng)力洞的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種利用表面微織構(gòu)去除殘余應(yīng)力洞的工件表面激光沖擊工藝，通過該方法可以確定理想的微織構(gòu)激光沖擊工藝，利用該工藝使得板材在激光沖擊強(qiáng)化后避免產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”的現(xiàn)象。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的一種利用表面微織構(gòu)去除殘余應(yīng)力洞的工件表面激光沖擊工藝，其特征在于步驟如下：

步驟1、在工件表面進(jìn)行激光微織構(gòu)處理，微織構(gòu)采用的激光能量為P0（此處利用激光的熱效應(yīng)進(jìn)行加工，采用光纖激光器，使用弱激光），微織構(gòu)密度為B, 微織構(gòu)的激光能量P0的范圍為P1-P2；

步驟2、采用K9玻璃作為約束層對(duì)激光微織構(gòu)處理過的工件表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，所述激光沖擊強(qiáng)化的激光能量P3（此處利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)沖擊波的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行加工，使用脈沖激光器，使用強(qiáng)激光），該能量可使得未處理過的工件表面出現(xiàn)殘余應(yīng)力洞；同時(shí)使用PVDF壓電傳感器進(jìn)行工件表面動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測，確保表面稀疏波無法向光斑中心匯聚；

步驟3、若PVDF壓電傳感器檢測不到稀疏波，則減小微織構(gòu)密度，重復(fù)步驟1-2，直到檢測到稀疏波；若PVDF壓電傳感器檢測到稀疏波，則增大微織構(gòu)密度，重復(fù)步驟1-2，直到檢測不到稀疏波；以剛好檢測不到稀疏波時(shí)所對(duì)應(yīng)的微織構(gòu)密度作為相應(yīng)激光微織構(gòu)處理激光能量下的最小可行微織構(gòu)密度；

步驟4、調(diào)整激光微織構(gòu)處理的激光能量P0，并重復(fù)步驟1-3，最終獲得由微織構(gòu)激光能量和對(duì)應(yīng)的最小可行微織構(gòu)密度構(gòu)成的若干個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，選擇微織構(gòu)孔深適中，微織構(gòu)密度最小的數(shù)據(jù)對(duì)，作為實(shí)施的微織構(gòu)的激光能量和微織構(gòu)密度；

步驟5、測量以K9玻璃為約束層，以激光能量P3進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化后試樣加載區(qū)域邊緣滑移深度；

步驟6、以去離子水為約束層，調(diào)節(jié)激光沖擊強(qiáng)化的激光參數(shù)，使得激光沖擊后試樣加載區(qū)域邊緣滑移深度約等于步驟5中的試樣加載區(qū)域邊緣滑移深度；

步驟7、以篩選出的微織構(gòu)密度和相應(yīng)強(qiáng)度的沖擊激光在工件表面制備微織構(gòu)，然后以去離子水為約束層，用調(diào)節(jié)后的激光參數(shù)對(duì)工件表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，使用該工藝方法可消除激光沖擊強(qiáng)化導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力洞。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還具有以下特征：

1、步驟1中，微織構(gòu)激光（單脈沖）能量P0的范圍為0.2mj-1mJ，激光的光斑尺寸為1μm，微織構(gòu)凹坑距離范圍為：0-140μm。

2、所述工件表面預(yù)先打磨成鏡面。

3、借助日本基恩士VHX 1000c超景深三維顯微鏡觀察材料的三維形貌，確定試樣加載區(qū)域邊緣滑移深度。