[发明专利]一种高温激光冲击强化装置与方法

说明书

本发明涉及一种高温激光冲击强化装置与方法，所述的高温激光冲击强化装置包括激光器、运动平台、加热平台、温控装置、保护气发生装置、约束层循环装置和快速夹紧装置等。温控装置采用闭环控制，可以准确控制激光冲击强化时工件的温度，并采用保护气发生装置使工件在加工过程中周围始终充满保护气，以避免工件在高温环境下快速氧化。本发明装置结构简单、适用范围广，便于组装和操作，成本低廉，实验温度可控且伴有气体防氧化保护，可以实现更优的高温激光冲击强化实验效果。

技术领域

本发明涉及一种激光加工技术领域，具体的说是一种温度可控且防氧化的高温激光冲击强化装置与方法。

背景技术

激光冲击强化是诞生于上世纪70年代的一种表面强化技术，它利用激光诱导的等离子体爆轰波对靶材冲击，属于表面冷处理工艺的一种。靶材经激光冲击强化处理后，会在表层产生残余压应力场和微结构演变晶粒细化层，可改善材料的抗疲劳性能。但激光冲击强化形成的微观组织是一种非平衡结构，处于热力学上的亚稳定状态。经过激光冲击强化后的试件，其产生的残余压应力和微观组织结构在高温环境下非常容易发生松弛和退化，已经得到强化的材料表面性能将会显著降低，这严重限制了该技术在高温使役环境中的应用。为了提高激光冲击强化技术的高温稳定性，美国普渡大学研究人员在2010年提出了高温激光冲击强化的概念。高温激光冲击强化需要先将工件加热到一定温度，然后再对其进行冲击强化处理，它结合了激光冲击强化和动态应变时效的双重优势，可以使表面微结构产生应变时效效应，在致密位错周围产生高密度的析出物，并对其进行扎钉，从而提高材料的高温稳定性。高温激光冲击强化技术的一个关键指标就是工件表面温度，只有将工件温度稳定在设定值才能达到预期的效果，因此准确的控制工件温度是完成实验室研究和工业应用的前提，此外高温环境下加工的金属材料在空气中很容易发生氧化而影响其性能，所以对工件的防氧化处理也是非常有必要的。

目前常通过热传导或感应线圈来对工件进行加热，通过红外测温探头测定工件温度，通过计算机系统完成温度控制。例如专利号为CN104195295A的专利提出了一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法及装置，装置通过感应线圈、红外探头和计算机系统来完成工件的加热、测温和控制。这种方法虽然可以控制金属材料的表面温度和热影响区深度，但对于工件形状和尺寸的依赖性大，当工件的形状尺寸发生较大变化后，如由平面变为复杂曲面后，该装置就不能准确的测量和控制工件表面不同高度位置的温度。而且该装置结构相对复杂，成本较高，灵活性较差，这对于装置的应用推广是不利的。

本专利将加热棒嵌入加热板，通过热传导完成工件的加热，通过温度传感器，交流接触器和数显控制器来完成加热过程的闭环控制。装置结构简单紧凑，成本低廉，应用范围广。

目前金属在高温环境下加工时常通过镀膜或喷涂来防止被氧化，但这些方法并不适用于激光冲击强化技术，因为：(1)工件在进行激光冲击强化处理时，需要在表面覆盖一层用来吸收激光能量的吸收层，而防氧化膜或防氧化涂层的存在会妨碍吸收层的紧密贴合，而影响强化效果；(2)工件在进行激光冲击强化处理时，还需要覆盖一层约束等离子体冲击波的约束层，通常采用水或硅油，约束层的存在可能与防氧化层物质发生作用，使其剥落，而无法起到防氧化效果；(3)激光冲击强化过程中可以产生GPa乃至TPa量级的等离子冲击波，在冲击波的作用下防氧化层很容易被损坏，而无法起到防氧化效果。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现温度可控且防氧化的高温激光冲击强化装置与方法，本发明为首次提出该工艺方法及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高温激光冲击强化设备结构复杂、成本高，且不具备防氧化功能的问题，发明一种温度可控且防氧化的高温激光冲击强化装置，同时提供一种相应的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温激光冲击强化装置，包括：激光器、运动平台、加热平台、温控装置和保护气发生装置；

所述加热平台上设有温控装置；所述加热平台通过保护气发生装置与所述运动平台连接；所述激光器的出光口与加热平台相对。