一种评估激光喷丸强化效果的方法

摘要

本发明公开了种评估激光喷丸强化效果的方法,其包括以下步骤:S1、确定材料所需的残余压应力层深度的范围;S2、取样表面打磨并抛光,使其表面的平面度低于0.1微米;S3、采用高功率密度纳秒脉冲激光对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理;S4、去除约束层,测量出凹坑深度d;S5、根据经验公式Lp=ε*d+c计算获得残余压应力层的深度Lp,评估激光喷丸强化效果,若Lp不在最佳强化效果范围内,则修改参数,重复S2至S4,直至Lp在最佳强化效果范围内。本发明通过测量激光喷丸强化预制金属试样的凹坑深度表征激光喷丸强化的效果,具有方便快捷的特点,同时可以灵活快速地为激光喷丸强化参数的优化提供依据。

权利要求

1.一种评估激光喷丸强化效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据材料的应用场合及其使用要求，确定材料所需的残余压应力层深度的范围；

S2、从待处理金属材料上取样，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样；

S3、采用高功率密度纳秒脉冲激光，以激光脉宽PW、激光功率密度P、激光光斑直径φ、约束层厚度Tc、吸收层厚度Ta对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理；

S4、去除约束层，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d；

S5、使用凹坑深度d，使用测算值或经验值作为系数ε和补偿值c，根据经验公式Lp= ε*d+c计算获得残余压应力层的深度Lp，其中ε和c为常数，不同种类的金属ε和c也不同，d为凹坑深度，评估激光喷丸强化该种金属材料的效果，若Lp不在最佳强化效果范围内，则修改激光喷丸强化参数，重复S2至S4，直至Lp在最佳强化效果范围内；

在步骤S4后设置步骤S4.1、对试样进行逐层电解腐蚀，并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，获得残余压应力层深度Lp；S4.2、重复S2至S4及S4.1，根据残余压应力层深度的经验公式Lp= ε*d+c，计算出系数ε和补偿值c的数值作为测算值，并记录入库作为经验值；

取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体；

所述高功率密度脉冲激光的功率密度P为109W/cm2 1010W/cm2，脉冲宽度PW为5 30ns；所~ ~述高功率密度脉冲激光聚焦后的光斑直径φ大于2mm。

所述的约束层为流动的去离子水膜，其厚度Tc为1 2mm。

~

2.根据权利要求1所述的评估激光喷丸强化效果的方法，其特征在于：所述的吸收层为黑漆、聚酯黑胶带或者铝铝箔，其厚度Ta为80 150μm。

~

说明书

一种评估激光喷丸强化效果的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种材料表面加工评估方法，尤其涉及一种评估激光喷丸强化效果的方法。

背景技术

[0002] 激光喷丸强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。激光喷丸的原理是利用脉冲激光（能量1 100J，脉宽10 30ns）在约束状态下（水膜或玻璃）跟吸~ ~收层（铝箔或其他材料）产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧。21世纪初，美国将激光喷丸技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。

[0003] 激光喷丸强化中涉及到的参数非常多，主要包括激光脉宽为PW、激光功率密度P、激光光斑直径φ、约束层厚度Tc、吸收层厚度Ta等，这些参数之间相互影响，关系复杂，因此很难通过这些参数来预测激光喷丸强化的效果。评估激光喷丸强化后试样的残余压应力层深度Lp，一般每次都要采用逐层电解抛光和X射线应力测试仪进行，需要进行破坏性试验，步骤复杂、耗时长。

发明内容

[0004] 针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种评估激光喷丸强化效果的方法，可以快捷方便的评估激光喷丸强化的效果并为便于选择激光喷丸强化的参数。

[0005] 为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种评估激光喷丸强化效果的方法，其包括以下步骤：S1、根据材料的应用场合及其使用要求，确定材料所需的残余压应力层深度的范围；S2、从待处理金属材料上取样，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样；S3、采用高功率密度纳秒脉冲激光，以激光脉宽PW、激光功率密度P、激光光斑直径φ、约束层厚度Tc、吸收层厚度Ta对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理；S4、去除约束层，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d；S5、使用凹坑深度d，使用测算值或经验值作为系数ε和补偿值c，根据经验公式Lp= ε*d+c计算获得残余压应力层的深度Lp，其中ε和c为常数，不同种类的金属ε和c也不同，d为凹坑深度，评估激光喷丸强化该种金属材料的效果，若Lp不在最佳强化效果范围内，则修改激光喷丸强化参数，重复S2至S4，直至Lp在最佳强化效果范围内。

[0006] 作为本发明评估激光喷丸强化效果的方法的技术方案的一种改进，在步骤S4后设置步骤S4.1、对试样进行逐层电解腐蚀，并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，获得残余压应力层深度Lp；S4.2、重复S2至S4及S4.1，根据残余压应力层深度的经验公式Lp= ε*d+c，计算出系数ε和补偿值c的数值作为测算值，并记录入库作为经验值。

[0007] 作为本发明评估激光喷丸强化效果的方法的技术方案的一种改进，取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体。

[0008] 作为本发明评估激光喷丸强化效果的方法的技术方案的一种改进，所述高功率密度脉冲激光的功率密度P为109W/cm2 1010W/cm2，脉冲宽度PW为5 30ns；所述高功率密度脉冲~ ~激光聚焦后的光斑直径φ大于2mm。

[0009] 作为本发明评估激光喷丸强化效果的方法的技术方案的一种改进，所述的约束层为流动的去离子水膜，其厚度Tc为1 2mm。~

[0010] 作为本发明评估激光喷丸强化效果的方法的技术方案的一种改进，所述的吸收层为黑漆、聚酯黑胶带或者铝铝箔，其厚度Ta为80 150μm。~

[0011] 本发明的有益效果是：对零件进行激光喷丸强化时，不同的零件以及零件的不同部位，最优的残余压应力层深度Lp也不同。激光喷丸强化后，将在预制金属试样表面形成深达数十微米的凹坑，而残余压应力层的深度Lp可以通过公式Lp= ε*d+c来计算获得，本发明通过测量激光喷丸形成的凹坑深度，来计算获得残余压应力层深度Lp，从而表征激光喷丸强化的效果，获得优化的激光喷丸强化参数，同时可以方便快捷地为激光喷丸强化参数的优化提供依据。

具体实施方式

[0012] 下面对本发明的实施方式进行具体描述。

[0013] 本发明一种评估激光喷丸强化效果的方法，其包括以下步骤：S1、根据材料的应用场合及其使用要求，确定材料所需的残余压应力层深度的范围；S2、从待处理金属材料上取样，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样；S3、采用高功率密度纳秒脉冲激光，以激光脉宽PW、激光功率密度P、激光光斑直径φ、约束层厚度Tc、吸收层厚度Ta对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理；S4、去除约束层，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d；S5、使用凹坑深度d，使用测算值或经验值作为系数ε和补偿值c，根据经验公式Lp= ε*d+c计算获得残余压应力层的深度Lp，其中ε和c为常数，不同种类的金属ε和c也不同，d为凹坑深度，评估激光喷丸强化该种金属材料的效果，若Lp不在最佳强化效果范围内，则修改激光喷丸强化参数，重复S2至S4，直至Lp在最佳强化效果范围内。对零件进行激光喷丸强化时，不同的零件以及零件的不同部位，最优的残余压应力层深度Lp也不同。激光喷丸强化后，将在预制金属试样表面形成深达数十微米的凹坑，发明人通过前期的大量试验发现，当激光光斑直径大于2mm、试样的凹坑深度在3  dmax μm~时，残余压应力层深度Lp可通过公式Lp= ε*d+c来计算获得，本发明通过测量激光喷丸形成的凹坑深度，来计算获得残余压应力层深度Lp，从而表征激光喷丸强化的效果，获得优化的激光喷丸强化参数。本发明通过测量激光喷丸强化预制金属试样的凹坑深度表征激光喷丸强化的效果，具有方便快捷的特点，同时可以灵活快速地为激光喷丸强化参数的优化提供依据。

[0014] 激光喷丸强化后，将在试样表面形成深大数十微米的凹坑，本发明的原理是通过测量凹坑的深度来估算残余压应力层的深度，从而表征激光喷丸强化的效果，通过前期的大量实验表明，当激光的功率密度P为109W/cm2 1010W/cm2，脉冲宽度PW为5 30ns、激光聚焦~ ~后的光斑直径φ大于2mm、约束层厚度Tc为1 2mm、吸收层厚度Ta为80 150μm、激光喷丸强化~ ~
后试样凹坑深度为1  18μm时，采用本发明提出的预估公式Lp= ε*d+c，具有良好的预测效~
果。同时提高了对特定材料进行评估的速度和便捷性，能够快速地获取某批次同种材料对应所需各个残余压应力层的深度需求所对应的工艺参数，为后续加工提供工艺参数。

[0015] 更佳地，在步骤S4后设置步骤S4.1、对试样进行逐层电解腐蚀，并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，获得残余压应力层深度Lp；S4.2、重复S2至S4及S4.1，根据残余压应力层深度的经验公式Lp= ε*d+c，计算出系数ε和补偿值c的数值作为测算值，并记录入库作为经验值，从而获得经验公式的系数和补偿值，便于后续只需测量凹坑深度d即可使用系数和补偿值进行快速的测算得出残余压应力层深度Lp值，提高了评估的速度和便捷性，快速地获取某批次同种材料对应所需各个残余压应力层的深度需求所对应的工艺参数，为后续加工提供工艺参数。

[0016] 更佳地，取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体，方便预处理和后期的测量和计算，也很好地体现激光喷丸强化的局部效果。

[0017] 更佳地，所述高功率密度脉冲激光的功率密度P为109W/cm2 1010W/cm2，脉冲宽度PW~为5 30ns；所述高功率密度脉冲激光聚焦后的光斑直径φ大于2mm。
~

[0018] 更佳地，所述的约束层为流动的去离子水膜，其厚度Tc为1 2mm。~

[0019] 更佳地，所述的吸收层为黑漆、聚酯黑胶带或者铝铝箔，其厚度Ta为80 150μm。~

[0020] 下面结合具体的实施例进行进一步的说明。

[0021] 实施实例一：

[0022] 对某型发动机压气机叶片叶根进行激光喷丸强化，待处理金属材料为LY2铝合金，经热处理后抗拉强度为430MPa，LY2铝合金dmax为18μm，ε为0.095，为-0.1。

[0023] 步骤一，根据使用要求，期望在处理部位获得的残余压应力深度为1.0mm 1.2mm。~

[0024] 步骤二，从待处理金属材料上取样，取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样。

[0025] 步骤三，以激光脉宽为10ns、激光功率密度3.5×109W/cm2、激光光斑直径2.5mm、约束层厚度1mm、吸收层材质为黑漆、吸收层厚度为100μm，对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理。

[0026] 步骤四，去除约束层黑漆，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d为10.5 μm。

[0027] 步骤五，通过凹坑深度，根据经验公式Lp=0.095*d-0.1，计算可得残余压应力层的深度Lp为0.898 mm，判定该参数不在最佳强化效果范围内，将激光功率密度增加到4×9 2
10W/cm，其余参数不变，重复步骤二至步骤四，测得凹坑深度为12.8μm，计算得到残余压应力层的深度Lp为1.116mm。

[0028] 步骤六，对功率密度为4×109W/cm2时的试样进行逐层电解腐蚀，每层腐蚀深度为0.05mm并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，测得的残余压应力层深度Lp为1.05 mm。

[0029] 功率密度为4×109W/cm2时，经验公式获得的Lp与实验测量Lp误差为6.2%，该参数为优化的激光喷丸强化参数。

[0030] 实施实例二：

[0031] 对某型汽轮机叶片边缘进行激光喷丸强化，待处理金属材料为316不锈钢，经热处理后抗拉强度为360MPa，304不锈钢dmax为18μm，ε为0.074，c为0.1。

[0032] 步骤一，根据使用要求，期望在处理部位获得的残余压应力深度为1.2mm 1.4mm。~

[0033] 步骤二，从待处理金属材料上取样，取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样。

[0034] 步骤三，以激光脉宽为15ns、激光功率密度2.5×109W/cm2、激光光斑直径3mm、约束层厚度1mm、吸收层材质为聚酯黑胶带、吸收层厚度为150μm，对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理。

[0035] 步骤四，去除约束层聚酯黑胶带，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d为15.5 μm。

[0036] 步骤五，通过凹坑深度，根据经验公式Lp=0.074*d+0.1，计算可得残余压应力层的深度Lp为1.247 mm，判定该参数为优化的强化参数。

[0037] 步骤六，对试样进行逐层电解腐蚀，每层腐蚀深度为0.05mm并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，测得的残余压应力层深度Lp为1.3 mm。

[0038] 经验公式获得的Lp与实验测量Lp误差为4.1%，该参数为优化的激光喷丸强化参数。

[0039] 实施实例三：

[0040] 对某型压气机叶片叶盆边缘进行激光喷丸强化，待处理金属材料为Ti6Lv4Vi钛合金，经热处理后抗拉强度为820MPa。Ti6Lv4Vi钛合金dmax为16μm，ε为0.08，c为-0.05。

[0041] 步骤一，根据使用要求，期望在处理部位获得的残余压应力深度为0.5mm 0.6mm。~

[0042] 步骤二，从待处理金属材料上取样，取样尺寸为10mm×10mm×10mm立方体，将该样品的待处理表面进行手工打磨并抛光，保证试样待处理表面的平面度低于0.1微米，制成激光喷丸强化试样。

[0043] 步骤三，以激光脉宽为15ns、激光功率密度3.5×109W/cm2、激光光斑直径3mm、约束层厚度1mm、吸收层材质为铝箔、吸收层厚度为150μm，对试样的待处理表面进行激光喷丸强化处理。

[0044] 步骤四，去除约束层铝箔，保证激光喷丸强化处理后形成的微凹坑表面不被划伤，并在丙酮溶液中进行超声清洗，测量出凹坑深度d为5.5 μm。

[0045] 步骤五，通过凹坑深度，根据经验公式Lp=0.105*d-0.05，计算可得残余压应力层的深度Lp为0.523 mm，判定该参数为优化的强化参数。

[0046] 步骤六，对试样进行逐层电解腐蚀，每层腐蚀深度为0.05mm并采用X射线衍射仪测量凹坑中心位置的残余应力状态，测得的残余压应力层深度Lp为0.55mm。

[0047] 经验公式获得的Lp与实验测量Lp误差为3.5%，该参数为优化的激光喷丸强化参数。

[0048] 以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。