[发明专利]一种铝合金微阵列超低温激光冲击超塑成形方法

说明书

本发明公开了一种铝合金微阵列超低温激光冲击超塑成形方法，包括：准备铝合金待冲击坯料并保证表面平整；准备激光能量吸收层，涂覆或贴合在待冲击坯料上，吸收层为黑胶带、黑油漆或黑铝箔；准备约束层，约束层为透明的光学玻璃或者透明液滴；准备微成形模具；从上而下依次紧密贴合固定约束层、吸收层、铝合金待冲击坯料和微成形模具；超低温激光冲击超塑成形：超低温条件为‑100～‑160℃，激光发射器的输出参数为：波长1064nm，激光能量0.5～10J，持续时间1～40ns，光斑直径0.5～10mm，输出的激光密度106～9W/cm²。本发明将超高速率成形和超低温成形相结合，实现铝合金异于传统超塑条件的超塑性。

技术领域

本发明属于轻量化金属微成形结构制备领域，具体涉及一种铝合金微阵列超低温激光冲击超塑成形方法。

背景技术

近年来，由于微机电系统的快速发展对微型零件需求的快速提升，微成形作为一种对亚微米级片材高效、低成本、大规模生产的新型成形技术已引起了广泛的关注。与传统工艺制造过程相比，微成形具有较高的生产效率、较高的材料利用率和较低的生产成本，其生产的零件具有优异的机械性能和使用性能。微成形制造的零件往往不是仅仅具有单一的简单结构，通常是由多种形状及尺寸的几何形状进行规律性排列的微阵列结构。

目前，大多数微阵列结构的成形仍主要依赖于凸凹模间配合制备，由于微成形模具具有极高的精度需求，直接使得微阵列结构的制造成本呈直线上升，同时凸凹模配合生产不仅成形速率缓慢，而且成形质量也稍有欠缺，严重制约微阵列结构的发展。

激光冲击成形是利用高能量密度的脉冲激光产生高能冲击波作用在板材表面使其产生塑性变形来实现板料成形，是一种柔性极高的加工技术，加工精度高、无小曲率成形的回弹问题，具有极高的成形速率，高能冲击波产生的瞬时压力可以到达数千兆帕，远远大于材料的屈服极限，可以使材料发生塑性变形，生产的零件表面可形成高幅值的残余压应力，提高材料的抗疲劳性能、耐蚀性和耐磨性，是一种极其适合微阵列加工成形的方法。采用激光冲击成形制备微阵列结构无需凸模，零件的表面精度直接受凹模的影响，可大大降低模具制造成本。

采用激光冲击制备微阵列时，高能冲击波的作用强烈且十分短暂，持续时间仅为几纳米，属于超高速率成形，成形速度可达106～108/s，比爆炸成形等高速成形方法的速度还要高一至两个数量级。随着时间的推移冲击波产生的作用力也会随之减小，选择具有较低屈服强度、较高延伸率的材料可一定程度上提升激光冲击成形的效率。

纵观目前广泛使用的轻量化金属，铝合金和镁合金均具有较低的变形抗力，是激光冲击成形较好的选择，但是对于镁合金而言，其晶体结构属于密排六方结构，塑性相对于面心立方的铝合金较差，因此塑性较好的铝合金更适合采用激光冲击来制备微阵列结构。众所周知，在普通的成形条件下，铝合金在低温和较高的应变速率状态下延伸率并没有达到超塑性的水平。不仅如此，通常来讲随着温度的降低和应变速率的提升，材料的塑性呈降低趋势。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供了一种铝合金微阵列超低温激光冲击超塑成形方法，采用激光冲击对超低温状态下的铝合金进行超塑成形，高效快速制备铝合金微阵列结构；该方法将超高速率和超低温同时作用于铝合金微阵列结构的制备，可明显提高铝合金板料的成形极限，使其达到超塑变形的水平，获得高精度高硬度低粗糙度无缺陷的铝合金微阵列结构，促进微机电系统的发展。

本发明的技术方案如下：

一种铝合金微阵列超低温激光冲击超塑成形方法，包括如下步骤：

步骤一：坯料的准备工作。采用机械加工的方式将所需形状的铝合金从原始板料或者箔材上取下，保证其表面具有较高的平整度，而后对其表面进行表面处理，去除表面杂质及油脂。

步骤二：激光能量吸收层的准备工作。吸收层一般为对光吸收效率较高的材料，可涂覆或者放置在待冲击坯料上，通常吸收层的颜色为黑色。