飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113913605A(43)申请公布日2022.01.11(21)申请号202111190349.2(22)申请日2021.10.13(71)申请人中国航空制造技术研究院地址100024北京市朝阳区八里桥北东军庄1号申请人清华大学(72)发明人孙汝剑闫剑锋贺广智曹子文车志刚邹世坤吴俊峰(51)Int.Cl.C21D10/00(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图2页(54)发明名称飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法(57)摘要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。CN113913605ACN113913605A权利要求书1/1页1.一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。2.根据权利要求1所述的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，步骤一前还包括清理待强化材料表面。3.根据权利要求2所述的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，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。4.根据权利要求1所述的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，所述步骤一还包括设定飞秒激光直写参数，所述飞秒激光参数包括单脉冲能量、重复频率、扫描速度和光斑重叠率。5.根据权利要求4所述的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，所述飞秒激光直写参数的设定过程为：首先采用轮廓仪测量材料表面轮廓最大高度差，并根据式(1)和(2)：h0≤ZR(1)求出所用激光光斑直径，根据设定的光斑重叠率由式(3)：v＝(1‑η)·f·D(3)求出飞秒激光扫描速度，随后设置单脉冲能量；其中h0为材料表面轮廓最大高度差，D为激光光斑直径，ω0为束腰半径、ZR为瑞利长度、λ为激光波长，η为光斑重叠率。6.根据权利要求1所述的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，所述约束层包括去离子水、K9玻璃。7.根据权利要求1所述的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，步骤一以后还包括材料表面二次清理，采用气体或液体介质冲刷直写着色的材料表面，获得洁净的飞秒着色表面。8.根据权利要求1所述的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，步骤三还包括设定纳秒冲击参数，所述纳秒冲击参数包括冲击时的能量、脉冲激光冲击次数、光斑搭接率；所述冲击时的能量不小于纳秒激光脉冲的能量阈值。9.根据权利要求1所述的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，步骤三结束以后还包括采用去离子水及有机溶剂清洗材料表面，进行干燥处理，获得最终的复合强化表面。2CN113913605A说明书1/6页飞秒激光叠加纳秒激光冲击的复合强化方法技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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