[发明专利]飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法

说明书

本发明涉及一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，包括：步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。本发明避免了现阶段纳秒激光冲击的吸收层破损引起表面烧蚀、杂质残留和工序繁琐耗时等问题。

技术领域

本发明涉及激光强化加工技术领域，特别是涉及一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法。

背景技术

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波与材料发生超高应变率交互作用实现材料表面改性的激光加工方法，可显著提高铝合金、钛合金、高强钢、高温合金等材料的抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀等使役性能。随着航空航天领域对关键零部件长寿命、高可靠服役要求的不断提高，激光冲击强化技术应用也明显更加关注强化金属材料使役性能的提高幅度。然而，金属材料使役性能的提高幅度本质上与激光诱导等离子冲击波的峰值压力密切相关，即较高的峰值压力下可获得更高表面幅值和更大纵向深度的残余压应力，进而获得更加优异的使役性能。实际上，诱导具有高峰值压力的冲击波主要通过输入更高能量的脉冲激光或改善激光冲击强化工艺结构实现。这也就使得激光冲击强化工艺应用对大能量激光器、对开发新型激光冲击强化工艺结构的需求更加迫切。

受制于大功率激光元器件研制的难度与周期，开发更大能量的激光器成为横亘在基础科研、技术开发、工业应用等多领域的难题。这也就使得激光冲击工艺结构优化成为进一步提高激光冲击强化零部件使役性能的唯一可行路径。合理选择激光冲击结构有利于改善材料的表面质量和机械性能，当前激光冲击强化工艺自上而下主要为激光束-约束层-吸收层-零件的异质结构，吸收层对最终强化质量发挥着关键作用，具有约束层与保护层的典型激光冲击强化工艺结构是实现GPa级瞬时高压等离子体冲击波产生的重要前提，也是在材料内部诱导大深度残余压应力的关键。当前，铝箔、黑胶带、黑漆作为常见的保护层材料，可有效减少激光反射，并且起到热屏障作用，保证冷塑变形。然而，铝箔胶带使用过程中存在激光吸收率低的问题，进而导致低能量激光冲击强化效果不达标，大能量冲击强化过程难控制。黑胶带使用过程中则存在表面延展强度低，强化过程易破损的问题。此外，无论铝箔还是黑胶带，与基体的结合均采用胶粘，影响激光诱导冲击向材料内部传递的延续性，且吸收层的粘贴很难避免气泡、褶皱等，易在冲击过程中破损，影响强化过程的稳定性以及强化效果的可靠性。

因此，亟需开发一种能够兼顾激光冲击强化效果，又能避免吸收层材料致使的热损伤、杂质残留和工序繁琐耗时等问题的新工艺方法，从而有效提高激光冲击强化的工艺可靠性、并降低激光冲击强化工艺的复杂度。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，包括采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层后覆盖约束层；使用纳秒激光在材料表面的约束层诱导高压冲击波。本发明步骤简单，操作便捷，效果显著进一步改善激光冲击强化材料的使役性能。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用飞秒激光在材料表面诱导出纳米条纹结构形成着色表层，并将该着色表层作为原位吸收层；

步骤二：在该原位吸收层上覆盖约束层；

步骤三：使用纳秒激光在材料表面诱导高压冲击波，直至实现大深度残余应力层的诱导和晶粒细化、塑性变形的产生。

进一步地，步骤一前还包括清理待强化材料表面。

进一步地，清理待强化材料方法包括：依次采用去离子水、有机溶剂清洗待强化材料表面，再进行干燥处理，得到干燥洁净的待强化材料。