[发明专利]采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法

说明书

采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，属于激光加工领域，本发明为解决现有激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分，影响冲击波强度的问题。本发明方法为：激光脉冲A、B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置。具体过程为：脉冲A先辐照冲击工件表面形成初始等离体，当该初始等离体的电子密度降低至形成等离子体屏蔽效应临界密度以下时，延迟到达的脉冲B辐照冲击靶区，脉冲B的一部分激光能量到达吸收层表面，继续对工件的材料进行气化和电离；脉冲B的另一部分激光能量被脉冲A形成的初始等离子体逆韧致吸收。在不扩增激光装置输出能力，且不改变光斑辐照面积的条件下，提升冲击波强度的目的。

技术领域

本发明属于激光加工领域，涉及金属、陶瓷等材料表面的激光冲击强化技术，具体涉及一种在不扩增激光装置输出能力(激光脉冲能量)，且不改变工件表面辐照光斑大小的情况下，通过构造时序双激光脉冲先后辐照冲击工件的方式，来提升冲击波强度的技术方法。

背景技术

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，其原理是：采用短脉冲(几纳秒～几十纳秒)、高峰值功率密度(大于GW/cm²)的激光束辐照金属或陶瓷工件表面，使工件表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高温(大于10⁷K)、高压(大于1GPa)等离子体；该等离子体受到约束层的约束，形成高压冲击波(GPa量级)并向工件材料内部传播，利用冲击波的力学效应在材料表层产生塑性形变，使表层材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上残留压应力，从而显著提高材料的抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀等性能。从本质上讲，激光冲击强化是利用冲击波的力学效应对材料表面进行改性，其原理类似于机械喷丸技术，因此也被称作“激光喷丸”，然而其冲击能力和效果却是传统机械喷丸的数倍。激光冲击强化已被部分的应用到航空发动机涡轮叶片、大载荷齿轮及核燃料容器焊缝强化处理等领域，具有广阔的应用前景。

目前，人们已在激光冲击强化诸多技术环节上开展了研究并取得进步，包括吸收层、约束层材料的改进；涂装和去除工艺的优化；光斑搭接率、聚焦方向、冲击次数等操作方法的探索提高；以及加工过程中监测与控制技术的革新等等。但是，对于一套成形的激光冲击强化系统来说，所采用的激光器一旦确定，其激光脉冲能量的输出能力也随之确定。若想获取更高强度的激光诱导冲击波，只能靠缩小辐照光斑面积，提升激光功率密度的方法来实现。然而，激光冲击强化总是期望大光斑和冲击面域均匀性，光斑太小必然带来应力分布均匀性变差和加工效率降低等一系列问题。

另一方面，从激光诱导等离子体冲击波的作用机制分析，可以发现目前激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分的问题。主要在于，高功率激光脉冲到达工件表面，点燃等离子体，会在工件表面形成稠密的等离子体层，该过程一般在纳秒量级的时间内完成。其将从两方面影响激光脉冲后半部分能量的吸收利用：(1)等离子体密度过高造成“屏蔽效应”，使后续激光能量难以穿越等离子体层，无法继续到达并激发剩余吸收层材料；(2)致密的等离子体层对后续激光形成强烈的反射，无法充分吸收激光能量。整体效果上，实际只有激光脉冲的前沿部分起到真正的诱导等离子体冲击波的作用，而后半部分激光能量都浪费掉了。

发明内容

本发明目的是为了解决现有激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分，影响冲击波强度的问题，提供了一种采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法。

本发明所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，该方法为：激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置。

优选地，激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置的具体过程为：

激光脉冲A先辐照冲击工件表面形成初始等离子体，当该初始等离子体的电子密度降低至形成等离子体屏蔽效应临界密度以下时，延迟到达的激光脉冲B辐照冲击靶区，激光脉冲B的一部分激光能量到达吸收层表面，继续对工件的材料进行气化和电离；激光脉冲B的另一部分激光能量被激光脉冲A形成的初始等离子体逆韧致吸收。