一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法.pdf

本发明属于航空、汽车工业零部件技术领域，具体涉及一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法。本发明在金属零件损伤点周围覆盖吸收层，在吸收层上施加约束层，将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，先进行激光预冲击强化处理，再进行激光强化冲击最后清洗工件表面，得到表面修复的金属零件。本发明的激光强化冲击有效抑制了零件损伤区域裂纹的扩展，可有效防止零件损伤点处的微裂纹萌生，能够提高零件的使用寿命30%以上。

权利要求书
1.  一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）用去离子水清洗具有损伤点的金属零件，然后用干燥的氮气吹干，放入100℃的干燥箱中干燥10min；
（2）对金属零件进行表面预处理，然后在洁净间中，在金属零件损伤点周围覆盖一层厚度为100-200μm的黑胶带作为吸收层；
（3）将覆盖有黑胶带的金属零件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为1-2mm的水作为约束层；
（4）将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，将金属零件激光强化区域划分为第一强化区和第二强化区，其中第一强化区覆盖距损伤点≤8mm距离的区域，第二强化区环绕第一强化区，在距损伤点小于18mm距离的区域，以脉宽8-20ns、波长1064nm或532nm、激光能量5-10J、重复频率1-2Hz、光束直径0.5-3mm的激光束进行预冲击强化处理，搭接率为0-50%，冲击1-2遍，其中第二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20~40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15~25%；
（5）预冲击强化处理后，以脉宽8-20ns、波长1064或532nm、激光能量7-15J、重复频率1-2Hz、光束直径0.5-3mm的激光束进行冲击强化处理，其中搭接率为0-50%，冲击2-5遍 ，同样的，二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20~40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15~25%，最后清洗零件表面，零件损伤点的裂纹萌生与扩展得到抑制。

2.  根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于所述的金属零件表面预处理是将金属零件放入装有水温为20~24℃的去离子水的超声清洗机中，超声频率为38-47kHz，清洗15-20min，再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入70℃的干燥箱中干燥20min。

3.  根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于所述的对激光冲击强化处理后的金属零件表面进行清洗是首先去除金属零件表面覆盖的吸收层，将金属零件放入装有温度为20~24℃、酒精浓度为75-95%的超声清洗机中，孔超声频率为38-47kHz，清洗15-20min，然后利用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。

4.  根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于所述的金属零件的损伤点为豁口或划伤。

5.  根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于所述的吸收层厚度均匀，吸收层与零件表面之间无气泡。

6.  根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，其特征在于所述的约束层厚度均匀，无波浪和飞溅。

说明书一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法
技术领域
本发明属于航空、汽车工业零部件技术领域，具体涉及一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法。
背景技术
随着现代工业的发展，要求零部件在高温、高压、高速、交变应力载荷以及酸性腐蚀介质或沙尘环境下持续地工作，因此对机械产品零件的表面性能要求越来越高。通过改善材料的表面性能或者对已经磨损乃至局部损坏的零部件及时修复，有效地延长零件的使用寿命，越来越受到科研人员的青睐。
目前在修复金属零件的裂纹、划痕或缺口时，根据愈合方式主要分为两种形式：物质补给和能量补给，从已研究的普通金属材料的裂纹来看，物质补给和能量补给的使用量相差无几。物质补给也就是常说的熔敷，在缺口裂纹处增加与金属基体材料成份接近的熔覆层，但这种方法在添加熔覆层之前和熔覆层之后都要进行机加工，且很难一次性完成，相对比较耗时，熔敷层的金相组织也很难与基材保持一致；外部能量补给目前主要有热处理、施加电流脉冲、微波供热及激光加热等等，也就是使得裂纹缺口处熔化，使得裂纹逐渐愈合，但这种方法因为引入热作用，同样改变了零件熔化区的金相组织性能，甚至可能使得零件表面产生一层氧化皮。因而，目前常用的金属零件修复方法均存在一些缺点，对零件的疲劳寿命不能很好的保证，需开发一种满足要求的新型的修复技术。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，目的是减少金属零件上的划痕、缺口裂纹的形成以及抑制减缓裂纹的扩展，且不改变损伤区域的金相组织、形貌，也无需进行机加工，经济、快速地实现零件修复延寿。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）用去离子水清洗具有损伤点的金属零件，然后用干燥的氮气吹干，放入100℃的干燥箱中干燥10min；
（2）对金属零件进行表面预处理，然后在洁净间中，在金属零件损伤点周围覆盖一层厚度为100-200μm的黑胶带作为吸收层；
（3）将覆盖有黑胶带的金属零件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为1-2mm的水作为约束层；
（4）将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，将金属零件激光强化区域划分为第一强化区和第二强化区，其中第一强化区覆盖距损伤点≤8mm距离的区域，第二强化区环绕第一强化区，在距损伤点小于18mm距离的区域，以脉宽8-20ns、波长1064nm或532nm、激光能量5-10J、重复频率1-2Hz、光束直径0.5-3mm的激光束进行预冲击强化处理，搭接率为0-50%，冲击1-2遍，其中第二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20~40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15~25%；
（5）预冲击强化处理后，以脉宽8-20ns、波长1064或532nm、激光能量7-15J、重复频率1-2Hz、光束直径0.5-3mm的激光束进行冲击强化处理，其中搭接率为0-50%，冲击2-5遍 ，同样的，二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20~40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15~25%，最后清洗零件表面，零件损伤点的裂纹萌生与扩展得到抑制。
其中，所述的金属零件表面预处理是将金属零件放入装有水温为20~24℃的去离子水的超声清洗机中，超声频率为38-47kHz，清洗15-20min，再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入70℃的干燥箱中干燥20min。
所述的对激光冲击强化处理后的金属零件表面进行清洗是首先去除金属零件表面覆盖的吸收层，将金属零件放入装有温度为20~24℃、酒精浓度为75-95%的超声清洗机中，孔超声频率为38-47kHz，清洗15-20min，然后利用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。
所述的金属零件的损伤点为豁口或划伤。
所述的吸收层厚度均匀，吸收层与零件表面之间无气泡。
所述的约束层厚度均匀，无波浪和飞溅。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明中基于激光冲击强化抑制金属零件损伤点的裂纹萌生与扩展是利用激光的短脉冲高能量密度辐照金属表面，金属表面的吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温、高压的等离子体，等离子体受到约束层的约束，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向金属内部传播，由于这种冲击波压力高达数个GPa，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面发生强烈的塑性变形，引入残余压应力，进而抑制裂纹的萌生与扩展。
本发明中对零件表面预先处理中清洗的目的是为保证工件上不残留有机物质和其他颗粒物质；干燥的目的是为后续吸收层的粘贴或涂覆做准备，提高吸收层与零件表面的结合力。
本发明的黑胶带对于1064nm的激光束不透明，当激光束辐照在黑胶带表面时，黑胶带能够吸收激光能量，产生高温高压的等离子体，并防止激光束烧伤零件表面。
本发明的激光强化冲击有效抑制了零件损伤区域裂纹的扩展，可有效防止零件损伤点处的微裂纹萌生，能够提高零件的使用寿命30%以上，使得具有损伤点的试件在激光冲击后，其疲劳寿命与未经激光冲击强化的无损伤点的试件相当，甚至高于未经激光冲击强化的无损伤点的试件。
本发明操作工艺简单、是一种性价比高、高效、绿色的零件修复延寿技术。
附图说明
图1是本发明基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的工艺流程图；
图2是金属零件损伤点周围强化区域示意图；
其中：（a）：主视图；（b）：俯视图；1：金属零件；2：损伤点；3：第一强化区；4：第二强化区；
图3是本发明实施例1中的零件示意图。
具体实施方式
本发明实施例中使用的黑胶带是3M公司的3M471号胶带、3M425胶带或鹿头42m胶带。
本发明实施例中所述的洁净间为万级洁净间（又称为无尘室或清净室），根据GB/T16292-1996，空气洁净度分级标准如表1：
表1   GB/T16292-1996 中空气洁净度分级标准

实施例1
本实施例中金属零件是长度为55mm、厚度为3mm的6082铝合金标准拉压疲劳试样，具有0.1mm长的划痕损伤；
本实施中抑制零件裂纹萌生与扩展按照以下步骤进行：
（1）用去离子水清洗具有损伤点的铝合金金属零件，然后用干燥的氮气吹干，放入100℃的干燥箱中干燥10min；
（2）对金属零件进行表面预处理，金属零件表面预处理是将金属零件放入装有水温为20℃的去离子水的超声清洗机中，超声频率为42kHz，清洗20min，再用0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入70℃的干燥箱中干燥20min；在洁净间中，在金属零件损伤点周围覆盖一层厚度为120μm的黑胶带作为吸收层；
（3）将覆盖有黑胶带的金属零件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为1.5mm的水作为约束层；
（4）将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，将金属零件激光强化区域划分为第一强化区和第二强化区，其中第一强化区覆盖距损伤点≤8mm距离的区域，第二强化区环绕第一强化区，在距损伤点小于18mm距离的区域，以脉宽12ns、波长532nm、激光能量5J、重复频率2Hz、光束直径2mm的激光束进行预冲击强化处理，搭接率为30%，冲击1遍，其中第二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15%；
（5）预冲击强化处理后，以脉宽12ns、波长1064nm、激光能量7J、重复频率2Hz、光束直径2mm的激光束进行冲击强化处理，其中搭接率为35%，冲击5遍 ，同样的，二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大40%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大15%，最后清洗工件表面，去除金属零件表面覆盖的吸收层，将金属零件放入装有温度为22℃、酒精浓度为95%的超声清洗机中，孔超声频率为38kHz，清洗18min，然后利用去离子水冲洗1min后，用干燥的氮气吹干，零件损伤点的裂纹萌生与扩展得到抑制。                                                                                                                                                       实施例2
本实施例的金属零件是长度为55mm、厚度为3mm的6082铝合金标准拉压疲劳试样，具有0.05×0.05×0.05 mm大小的缺口损伤；
本实施中抑制零件裂纹萌生与扩展按照以下步骤进行：
（1）用去离子水清洗具有损伤点的铝合金金属零件，然后用干燥的氮气吹干，放入100℃的干燥箱中干燥10min；
（2）对金属零件进行表面预处理，金属零件表面预处理是将金属零件放入装有水温为24℃的去离子水的超声清洗机中，超声频率为47kHz，清洗15min，再用0.4MPa的干燥氮气吹干，然后放入70℃的干燥箱中干燥20min；在洁净间中，在金属零件损伤点周围覆盖一层厚度为100μm的黑胶带作为吸收层；
（3）将覆盖有黑胶带的金属零件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为1mm的水作为约束层；
（4）将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，将金属零件激光强化区域划分为第一强化区和第二强化区，其中第一强化区覆盖距损伤点≤8mm距离的区域，第二强化区环绕第一强化区，在距损伤点小于18mm距离的区域，以脉宽8ns、波长1064nm、激光能量10J、重复频率1Hz、光束直径3mm的激光束进行预冲击强化处理，搭接率为10%，冲击2遍，其中第二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大30%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大25%；
（5）预冲击强化处理后，以脉宽8-20ns、波长532nm、激光能量15J、重复频率1Hz、光束直径3mm的激光束进行冲击强化处理，其中搭接率为5%，冲击2遍 ，同样的，二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大30%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大20%，最后清洗工件表面，去除金属零件表面覆盖的吸收层，将金属零件放入装有温度为24℃、酒精浓度为80%的超声清洗机中，孔超声频率为47kHz，清洗20min，然后利用去离子水冲洗2min后，用干燥的氮气吹干，零件损伤点的裂纹萌生与扩展得到抑制。                                                                                                                                                       实施例3
本实施例中的金属零件是长度为55mm、厚度为3mm的6082铝合金标准拉压疲劳试样，具有直径为0.09mm深为1mm的坑蚀；
本实施中抑制零件裂纹萌生与扩展按照以下步骤进行：
（1）用去离子水清洗具有损伤点的铝合金金属零件，然后用干燥的氮气吹干，放入100℃的干燥箱中干燥10min；
（2）对金属零件进行表面预处理，金属零件表面预处理是将金属零件放入装有水温为22℃的去离子水的超声清洗机中，超声频率为38kHz，清洗18min，再用0.6MPa的干燥氮气吹干，然后放入70℃的干燥箱中干燥20min；在洁净间中，在金属零件损伤点周围覆盖一层厚度为200μm的黑胶带作为吸收层；
（3）将覆盖有黑胶带的金属零件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为2mm的水作为约束层；
（4）将金属零件损伤点所在的表面朝向激光束，将金属零件激光强化区域划分为第一强化区和第二强化区，其中第一强化区覆盖距损伤点≤8mm距离的区域，第二强化区环绕第一强化区，在距损伤点小于18mm距离的区域，以脉宽20ns、波长1064nm、激光能量8J、重复频率2Hz、光束直径0.5mm的激光束进行预冲击强化处理，搭接率为50%，冲击1遍，其中第二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大20%；
（5）预冲击强化处理后，以脉宽20ns、波长1064nm、激光能量10J、重复频率2Hz、光束直径0.5mm的激光束进行冲击强化处理，其中搭接率为50%，冲击3遍 ，同样的，二强化区的强化所用的激光能量比第一强化区大20%，第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区大25%，最后清洗工件表面，去除金属零件表面覆盖的吸收层，将金属零件放入装有温度为20℃、酒精浓度为75%的超声清洗机中，孔超声频率为42kHz，清洗15min，然后利用去离子水冲洗2min后，用干燥的氮气吹干，零件损伤点的裂纹萌生与扩展得到抑制。                                                                                                                                                       将以上实施例1-3处理后的零件试样进行疲劳寿命测试，同时对无损伤点的未经激光冲击强化试样的疲劳寿命进行测试。
疲劳寿命测试采用MTS880型疲劳试验机，轴向加载，应力比为-1，应力水平为140MPa。
上述实施例1-3试样寿命如表2所示。
表2  有损伤的零件经激光冲击后寿命与完好零件未经激光冲击强化的寿命对比
序号疲劳周次（n）未冲击的无损伤的试件1.7×105实施例12.1×105实施例21.5×105实施例32.5×105
从表2的试验数据中可知，具有损伤点的零件试件在激光冲击后，其疲劳寿命与未经激光冲击强化的无损伤点的零件试件相当，甚至高于未经激光冲击强化的无损伤点的零件试件。