[发明专利]金属部件飞秒激光抗磨损抗疲劳一体化强化方法与装置

说明书

本发明涉及飞秒激光表面改性技术领域，尤其为针对易发生磨损、疲劳等单一或复合损伤故障的关键金属动部件，本发明提出采用飞秒激光对其表面进行改性，通过在材料表层制备周期性微纳结构‑耐磨氧化层‑细晶‑高密度位错层的梯度组织结构及梯度残余压应力层，实现抗磨损抗疲劳一体化防护，同时研发了复杂部件飞秒激光强化自适应加工模块，能够根据加工部件的尺寸特征主动自行调节激光扫描路线及激光头位置，大大提高了飞秒激光加工效率，本发明有效的解决了金属动部件复合损伤的难题。本发明提出的装置和方法相比于传统的涂层、喷丸技术具有工艺简单、效率高的优势，并且该技术适用性高，可处理薄壁构件和其它复杂部件，技术优势显著。

技术领域

本发明涉及飞秒激光表面改性技术领域，具体为一种利用飞秒激光对金属部件进行表面改性实现抗磨损抗疲劳一体化防护的方法与装置。

背景技术

汽车、舰船、飞机及发动机内金属动部件易发生磨损、疲劳等单一或复合损伤故障，一直是影响装备服役安全的突出难题。例如飞机液压导管转接处发生过多起裂纹事故，导致液压系统泄露，引起过空中报警和紧急着陆，对裂纹故障导管进行失效分析，认为是磨损和疲劳的复合诱发的裂纹故障；发动机钛合金叶片凸台配合面在磨损与疲劳复合载荷作用下，易发生裂纹故障，断裂的凸台容易打伤发动机，危害极大，并且该位置难以修理，只能报废处理，但钛合金叶片造价高昂，经济上难以承受，对故障叶片进行失效分析，认为裂纹产生均是早期磨损诱导疲劳裂纹源，而后在振动应力作用下裂纹发生扩展；航空发动机涡轮叶片与盘主要依靠榫头/榫槽结构连接，但在高温、高压、高转速、交变负载等复杂载荷环境下，榫头结构易受到多轴载荷作用而发生微动疲劳失效，导致发动机失事。因此，航空发动机结构内较多动部件均存在磨损、疲劳等单一或复合损伤风险，迫切需要对其薄弱环节进行强化处理。

目前，典型激光冲击强化、激光相变、涂层、喷丸、注渗等技术防护单一损伤效果较好，但针对复合损伤有一定局限。例如，涂层能较好提高部件耐磨性能，但会影响疲劳性能，且存在涂层剥落风险。激光喷丸、机械喷丸技术可形成梯度组织结构及梯度残余应力，能够提高部件高周疲劳性能，但提升耐磨性能有限，并且容易造成薄壁件的冲击变形。因此，需要寻找一种新的方法可以实现抗磨损抗疲劳一体化防护。

近些年来，随着激光技术的不断发展与进步，基于飞秒激光功率密度大、频率高和加工无热影响区等技术优势而提出的飞秒激光表面改性技术得到广泛的关注与发展，飞秒激光的激光功率密度能够达到TW/cm2量级，可以在无约束层的情况下在材料的表面诱导超高压冲击波(百GPa量级)，通过形变强化的原理引入高数值的残余压应力，提升材料的疲劳性能。另外，飞秒激光的能量一般在mJ量级，在材料表面的能量沉积量较小，因此所引入的残余压应力影响层深度较浅(10-100μm)，这样就可以有效的避免薄壁部件高压塑性变形的问题。飞秒激光的重频在MHz量级，加工效率高，速度快，光斑直径小，可处理微器件。同时飞秒激光作用在材料表面时，会诱导产生表面稀疏波和强电磁场，在其复合作用下材料表面会形成具有特殊功能的表面周期性微纳结构，调整工艺参数即可实现疏水、亲水、防冰、除菌、耐磨等功能，技术优势显著。

因此，针对汽车、舰船、飞机及发动机关键动部件磨损和疲劳的复合损伤难题，本发明提出利用飞秒激光对其表面进行改性，通过在材料表层制备周期性微纳结构-耐磨氧化层-细晶-高密度位错层的梯度组织结构及梯度残余压应力层，实现抗磨损抗疲劳一体化防护。同时研发了复杂部件飞秒激光表面处理自适应加工模块，能够根据加工部件的尺寸特征主动自行调节激光扫描路线及激光头位置，大大提高了飞秒激光加工效率。该技术具有以下的优势：

(1)解决复合损伤难题：最表层周期性微纳结构和氧化层耐磨，并可改变材料磨损机理，面接触变点接触；次表层的梯度细晶结构和残余压应力提升材料的抗疲劳性能；

(2)工艺简单，效率高：飞秒激光表面改性技术可在室温空气环境下进行加工，激光直接作用金属材料表面，触发频率在MHz，效率大幅提升；