[发明专利]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

说明书

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。