激光冲击及其对金属材料组织和性能的影响

作者:罗新民;苑春智;张静文;马辉;赵广志;杨坤;张永康 刊名:热处理 上传者:牙生

【摘要】激光冲击是一项用短脉冲(ns级)强激光辐照覆盖有吸收层和约束层的金属材料表面从而改善其性能的高新技术。其原理是,当激光冲击波诱导的应力峰值超过材料的动态屈服极限时,材料的表层就会发生形变等现象。激光冲击的效果与激光的能量、光斑直径、被冲击材料的原始状态等因素有关。激光冲击可在材料表面获得应变强化,从而提高材料的疲劳性能和抗应力腐蚀能力等,还可用于金属板的微成形制造。

全文阅读

激光冲击技术是上世纪由WilliamILinlor(HughesResearchLaboratories,Malibu,California)提出[1-3],此后一直成为国内外材料学界研究的热点。人们发现,用高功率脉冲激光诱导的冲击波可以改变合金的微观组织和力学性能,激光冲击形成的残余应力可达到材料抗拉强度的60%,激光冲击形成的残余压应力层比机械冲击形成的残余压应力层更深,其稳定性和一致性都更好。正因如此,激光冲击波的这种力学效应最早被美国NASA应用于航空结构件的表面强化。进入本世纪,激光冲击波力学效应的应用迅速扩大,除激光冲击强化外,激光冲击成形、激光冲击修复与再制造、激光冲击抗应力腐蚀,以及激光冲击制孔等新技术相继问世。国内对激光冲击技术的研究同样始于航空制造领域[4]。江苏大学在该领域开展了大量的试验工作和深入研究,用脉宽为20ns、波长为1065nm的钕玻璃激光器对多种钢铁结构材料和钛合金、铝合金以及陶瓷材料等进行了表面强化和非传统制造技术应用的基础研究,采用扫描电镜、透射电镜等对激光冲击区的微观结构进行观察分析和比较。研究发现,经激光冲击处理后,金属材料表层经受了强烈的形变过程,从而使受冲击表面的强度和硬度显著提高。同时,也发现了激光冲击在微成形制造领域的突出优点。1激光冲击原理激光冲击完全不同于激光热处理。激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属表面实现相变硬化或表面合金化等表面改性处理,产生用常规表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。激光冲击则是利用高功率密度(109Wcm-2量级)、短脉冲(10-9s量级)的强激光穿过透明约束层(水帘)作用于覆盖在金属零件表面的能量吸收层上(一般可用黑漆),吸收层被激光能量气化、爆炸,形成等离子体,被限制在约束层和金属表面之间的等离子体压力急剧升高,诱导生成由金属表面向其内部传播的超强应力波。当该应力峰值超过材料的动态屈服极限时,材料表层就会发生形变强化或者塑性变形。激光冲击原理如图1所示。图1激光冲击原理示意图Fig.1Schematicdiagramofthelasershockingprocess金属零件表面涂黑漆,主要是为了改变金属表面对激光反射的临界波长,增加对激光能量的吸收和防止金属表面被激光烧灼。约束层的存在限制了等离子体的膨胀,增加了激光能量和冲击波对工件的耦合和作用时间,从而更加有效地提高激光诱导的压力峰值和增大冲击波的脉宽[5]。激光冲击对材料表面的作用是一个应变速率远远超过材料静态力学性能的弹塑性形变过程,涉及到材料性质、材料的动态屈服强度、应变速率、冲击波的峰值应力、激光脉冲的功率密度以及轰击能量分配等许多复杂的非线性问题。激光冲击的一个重要特性是微区加载及其超高应变率,此时材料的响应完全不同于常规加工模式,所以激光冲击波与材料的相互作用是激光冲击技术应用的基础。采用激光冲击技术时,强激光(脉冲能量3050J,脉冲宽度1530ns)与材料表面物质相互作用产生强冲击波,可产生高达数GPa的冲击压力,并形成超高应变率,这种冲击波的外场效应明显不同于采用常规材料表面技术所获得的效应。众所周知,材料良好的力学性能源于其复杂的微观结构,通过适当改变材料的微结构,可能会得到符合某些特殊要求的力学性能。所以在深度开发金属材料潜在性能的过程中,材料的模量、屈服应力、延性、断裂韧度、耐蚀性和耐疲劳性等性能与材料微结构与外场作用的相互作用和演变规律密切相关[6]。研究结果表明,激光冲击对奥氏体不锈钢、珠光体结构钢和钛合金等材料都获得了不同的响应。2激光冲击后材料的微观组织演变2.1面

参考文献

引证文献

问答

我要提问