[发明专利]利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工与材料表面改性领域，尤其是一种采用高能量密度激光束与高压去离子水进行耦合得到的光水复合体对金属构件表面进行喷丸强化以改善金属构件力学性能及疲劳性能的方法与装置。

背景技术

科学技术的迅猛发展对金属构件的精度、性能和寿命提出了越来越高的要求，其使用环境日益苛刻，许多金属构件必须服役于高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件，而金属构件在其加工制造过程中难免会在表面产生各类的微裂纹和缺陷，从而导致应力集中，致使金属构件破损直至失效。在现代工业的各个领域中，大约有80%的结构强度破坏是由于疲劳破坏造成的，这给工业技术各领域带来严重威胁和巨大损失，因此，金属构件的抗疲劳制造已成为现代工业技术领域的热点研究问题。

在生产实践中，金属构件的抗疲劳制造方法多种多样，常见的有表面淬火、化学热处理、机械加工如滚压、挤压、喷丸、抛光等。随着激光技术在工业各领域的广泛使用，一种新的抗疲劳制造技术应运而生——激光喷丸强化技术(Laser Shock Peening, LSP)，其利用高能量(GW/cm²)短脉冲(ns)激光束辐照涂覆有能量吸收层和能量约束层的金属构件表面，能量吸收层吸收激光能量后迅速汽化生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后爆炸产生爆轰波(GPa级)作用于金属构件材料表面，并向其内部传播，使金属构件表面产生塑性变形和残余压应力场，表层材料晶粒细化，显著提高金属构件疲劳强度及抗腐蚀能力。目前，激光喷丸强化技术已经成功应用在汽车、航空航天的抗疲劳制造领域。

在对金属构件实施激光喷丸强化工艺过程中，约束层的作用是限制等离子体爆轰波扩散，使其更为集中地作用于金属构件表面，目前，常用的约束层材料有K9玻璃、柔性贴膜、流动水帘等，其中流动水帘被广泛采用，其优势体现在：①成本低，柔性好，可循环使用；②对复杂曲面的适用性强；③不会产生废弃残渣，环保无污染，但流动水帘有一个难以克服的缺点，即流水的刚性不足，其对爆轰波约束效果不佳，大大地削弱了激光喷丸效果。

一种性能优异的约束模式既需具备如K9玻璃的刚性，从而产生对等离子体爆轰波超强的阻抑作用，又需具备流动水帘的柔性，以满足多工位、多角度、复杂金属构件的喷丸强化；既能以较低的成本和较优的可操作性实现循环利用，达到绿色制造理念，又

要符合环保、低碳、无污染的社会主流意识。挖掘与开发这样一种优良的约束模式已经成为激光喷丸强化抗疲劳制造领域的一个研究热点。公开号为1404954的中国专利“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”，其利用两种不同组分的有机硅胶和添加剂按一定的比例配比调和，通过有机玻璃模具将其涂覆在成形件或者强化件表面作为能量约束层，但是该装置仍然存在不足：①柔性贴膜在激光冲击成形工艺中可以充分发挥其柔性优势，但是由于其约束刚度不高，达不到K9玻璃那样的约束强度，从而限制了其在激光冲击强化工艺中的应用；②柔性贴膜制作过程复杂、繁琐，不利于其在本领域的推广使用；③柔性贴膜对于激光能量吸收较多，降低了激光能量的利用率。公开号为1608786的中国专利“以冰为约束层的激光冲击处理方法及装置”，其利用冰约束层与受冲击工件在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰层约束。但是该方法仍然存在不足：冰层在激光冲击过程中会有融化现象，致使冰层与工件结合处不再紧密，从而使冲击波压力降低。

由物理学知识可知：当水以一定的压力喷射到材料表面时，会在材料表面形成一个瞬时高压作用区，此高压作用区相比于在物体表面缓慢流动的水帘对等离子体爆轰波具有更强的阻抑作用，并且当水的压力达到一定值时，高压水本身也会实现自身能量转换：液压能→动能→材料表面塑性变形能，最终实现材料表面的加工硬化。因此，寻求一种高压水动态约束模式以提高激光喷丸强化抗疲劳制造的整体工艺效果十分有必要。公开号为CN201864747U的中国专利“光水同轴的激光冲击强化头”利用了水导光的基本原理，通过激光束和水珠的耦合作用，实现了光水同轴冲击强化，但是其存在一定缺陷：①其中的水柱只是起到传导激光的作用，水柱在工件表面仍然相当于流水约束层，约束刚度不够；②其调焦机械装置复杂繁琐，加工费用高，不利于推广使用。

通过对国内外文献进行检索，目前未发现将高压水作为动态约束以及冲击动力实现对材料表面激光喷丸强化的相关报道。本发明首次提出高压水动态约束模式这一概念，并且充分利用高压水自身能量转换这一优势，结合水导光这一物理常识，提出了一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的抗疲劳制造方法及其装置。

发明内容