一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺(tái)、安裝于所述載物臺(tái)上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組，所述工作液中分布有微細(xì)磨粒。本發(fā)明還提供了采用上述裝置強(qiáng)化金屬表面的方法，其能量利用率較高，對(duì)于復(fù)雜局部區(qū)域，加工適應(yīng)性較好。
【專利說明】一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬表面強(qiáng)化裝置及方法，具體涉及一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的失效形式主要是始于材料表面的疲勞、腐蝕和磨損，所以材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著材料的綜合性能。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)各種金屬表面強(qiáng)化技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了深入地研究，并取得了一定的進(jìn)展，使得金屬表面沖擊強(qiáng)化方法在軍工國(guó)防、航空航天、石油化工和海洋船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，金屬表面強(qiáng)化技術(shù)主要包括噴丸、滾壓、擠壓、鍛打等傳統(tǒng)強(qiáng)化技術(shù)和近年來興起的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(LSP)。傳統(tǒng)沖擊強(qiáng)化技術(shù)雖然對(duì)金屬表面的抗疲勞、抗磨損等性能起到一定的作用，但是相對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)而言，其適用范圍和強(qiáng)化效果相對(duì)較差。因此，近年來對(duì)于金屬表面強(qiáng)化技術(shù)的研究主要集中在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。
[0004]激光沖擊強(qiáng)化是利用短脈沖(一般在50ns以內(nèi))、高功率密度(GW/cm2)的激光通過透明約束層，作用于金屬工件12所涂覆或粘附的吸收涂層14上，吸收涂層14吸收強(qiáng)脈沖激光束16的激光能量后迅速氣化，形成稠密的高溫、高壓等離子體17，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量后急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力。激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。其原理如附圖1所示。
[0005]該技術(shù)能大幅提聞金屬材料的使用壽命，具有無機(jī)械和熱應(yīng)力損傷、表面質(zhì)量好、影響層深、可控性好和清潔環(huán)保等特點(diǎn)，大大地降低了零部件的維修成本，是目前應(yīng)用廣泛、極具潛力的金屬表面強(qiáng)化技術(shù)。
[0006]目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)所使用的激光設(shè)備是脈沖能量為焦耳級(jí)別的納秒脈沖，設(shè)備的價(jià)格昂貴，而且由于激光系統(tǒng)工作于極限狀態(tài)而使可靠性偏低。同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)所使用的透明約束層15 —般為光學(xué)玻璃或流水，光學(xué)玻璃無法滿足形狀比較復(fù)雜的局部沖擊區(qū)域，其加工適應(yīng)性相對(duì)較差，而流水由于剛性不足，對(duì)沖擊波的約束效果較差，導(dǎo)致了激光沖擊效果的弱化。另外一個(gè)比較值得注意的問題是該強(qiáng)化技術(shù)能量利用率只有50%左右、相對(duì)比較低，其主要原因是涂覆在金屬表面的吸收層吸收激光能量最后形成的等離子體沖擊波只有大約50%作用于工件表面。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置；另外，本發(fā)明還提供采用所述裝置進(jìn)行金屬表面強(qiáng)化的方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案:一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺(tái)、安裝于所述載物臺(tái)上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組，所述工作液中分布有微細(xì)磨粒。
[0009]所述微細(xì)磨粒為本領(lǐng)域的已知產(chǎn)品，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要，選擇不同大小、形狀等微細(xì)磨粒，可以直接購(gòu)于市場(chǎng)。
[0010]激光誘導(dǎo)空化沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用激光聚焦于工作液中，且焦點(diǎn)聚焦在金屬材料表面上方。在激光焦點(diǎn)位置會(huì)形成空化泡，在內(nèi)外壓差的作用下，空化泡會(huì)逐漸生長(zhǎng)，生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，將發(fā)生潰滅現(xiàn)象，潰滅過程會(huì)產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料表面的水射流。因此，可以在工作液中引入微細(xì)磨粒，利用沖擊波和水射流推動(dòng)微細(xì)磨粒沖擊金屬材料表面，由于其壓強(qiáng)可以達(dá)到幾百個(gè)兆帕甚至幾個(gè)吉帕，材料表面將會(huì)獲得很高的殘余壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化。
[0011]激光束和透鏡組組成光路系統(tǒng)，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點(diǎn)位置可調(diào)，實(shí)現(xiàn)空化泡的大小和形成位置，沖擊波、水射流的產(chǎn)生和強(qiáng)度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化效果。容器中盛放有工作液，激光聚焦到工作液中，誘導(dǎo)發(fā)生空化現(xiàn)象。容器中的工作液引入均勻分布的微細(xì)磨粒，利用空化過程產(chǎn)生的沖擊波和水射流推動(dòng)微細(xì)磨粒運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬材料表面的進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。同時(shí)，可以通過改變微細(xì)磨粒的類型(如大小、種類等)來優(yōu)化強(qiáng)化效果。高透玻璃覆蓋于工作液上方，有效地避免了激光在液面發(fā)生空化，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過高透玻璃，激光能量更加有效地作用于金屬材料的表面，同時(shí)也增加了空化過程產(chǎn)生沖擊波和水射流的強(qiáng)度，加強(qiáng)了沖擊強(qiáng)化的效果。
[0012]作為本發(fā)明所述基于激光誘 導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所述透鏡組的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束的激光器。作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的更優(yōu)選實(shí)施方式，所述激光器為脈沖能量為微焦或毫焦的微秒脈沖激光器。所述激光器采用脈沖能量為微焦或毫焦的微秒脈沖激光器時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)中采用的焦耳級(jí)別的納秒脈沖激光器相比，價(jià)格便宜很多，成本得到顯著降低。
[0013]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所述容器安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)上。作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的更優(yōu)選實(shí)施方式，所述三維精密移動(dòng)平臺(tái)的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。金屬材料安裝于載物臺(tái)上方，當(dāng)整個(gè)容器安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)上，且三維精密移動(dòng)平臺(tái)X軸、y軸與Z軸的最小分辨率都為0.1微米時(shí)，通過控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束在金屬材料表面上的掃描，可以滿足形狀比較復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，加工適應(yīng)性較好。
[0014]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所述工作液為水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液優(yōu)選但不限于水、甘油或水和甘油的混合液?？梢酝ㄟ^改變工作液的類型(如水、甘油、水和甘油混合液等)來改變其性質(zhì)(如粘性)，進(jìn)一步研究空化泡的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)金屬表面沖擊強(qiáng)化效果的影響，以便進(jìn)一步提高金屬材料的抗疲勞、抗磨損等機(jī)械性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及實(shí)際情況，選擇合適類型的液體作為工作液。
[0015]作為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所述微細(xì)磨粒在工作液中均勻分布。所述微細(xì)磨粒在工作液中均勻分布時(shí)，有利于對(duì)金屬材料表面產(chǎn)生均勻的沖擊強(qiáng)化作用。
[0016]另外，本發(fā)明還提供一種采用如上所述裝置進(jìn)行金屬表面強(qiáng)化的方法，所述方法包括以下步驟:
[0017](I)將激光束通過透鏡組和高透玻璃，在高透玻璃和金屬材料之間的工作液中聚焦，焦點(diǎn)位置形成空化泡；
[0018](2)在內(nèi)外壓力差的作用下，步驟(1)中形成的空化泡生長(zhǎng)到一定程度，發(fā)生潰滅，潰滅過程中產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料表面的水射流；
[0019](3)步驟(2)產(chǎn)生的沖擊波和水射流推動(dòng)工作液中的微細(xì)磨粒沖擊金屬材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化。
[0020]上述所述方法是利用激光聚焦于工作液中，且焦點(diǎn)聚焦在金屬材料表面上方。在激光焦點(diǎn)位置會(huì)形成空化泡，在內(nèi)外壓差的作用下，空化泡會(huì)逐漸生長(zhǎng)，生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，將發(fā)生潰滅現(xiàn)象，潰滅過程會(huì)產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料表面的水射流。因此，可以在工作液中引入微細(xì)磨粒，利用沖擊波和水射流推動(dòng)微細(xì)磨粒沖擊金屬材料表面，由于其壓強(qiáng)可以達(dá)到幾百個(gè)兆帕甚至幾個(gè)吉帕，材料表面將會(huì)獲得很高的殘余壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化。
[0021]作為本發(fā)明所述金屬表面強(qiáng)化方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述方法還包括以下步驟:
(4)控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束在金屬材料表面上的掃描，實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。由于金屬材料安裝于載物臺(tái)上方，整個(gè)容器安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)上，三維精密移動(dòng)平臺(tái)X軸、y軸與z軸的最小分辨率都為0.1微米。通過控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束 在金屬材料表面上的掃描，可以滿足形狀比較復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，加工適應(yīng)性較好。
[0022]最后，本發(fā)明還提供一種采用如上所述方法強(qiáng)化后的金屬材料。本發(fā)明所述金屬材料，采用上述所述方法強(qiáng)化所得，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高了強(qiáng)化后所得金屬材料的抗疲勞、抗磨損性能，而且對(duì)于用于復(fù)雜的局部區(qū)域的金屬材料來說，具有較好的加工適應(yīng)性。
[0023]本發(fā)明利用激光誘導(dǎo)空化技術(shù)所產(chǎn)生的沖擊波和水射流對(duì)金屬材料表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高金屬的抗疲勞、抗磨損性能。
[0024]目前，應(yīng)用比較廣泛的金屬表面強(qiáng)化技術(shù)是激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，激光通過透明約束層作用于吸收層上，形成稠密的高溫、高壓等離子體，該等離子體急劇升溫膨脹后形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果，其具有非接觸、無熱影響區(qū)等、指向性好及強(qiáng)化效果顯著等特點(diǎn)。
[0025]兩者都是通過用激光能量來實(shí)現(xiàn)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化，不同的是激光強(qiáng)化沖擊技術(shù)直接利用激光能量來實(shí)現(xiàn)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化，而激光誘導(dǎo)空化技術(shù)則是利用激光聚焦到工作液中誘導(dǎo)發(fā)生空化現(xiàn)象，通過空化泡的潰滅所產(chǎn)生的沖擊波和水射流推動(dòng)工作液中的磨粒沖擊金屬材料表面，實(shí)現(xiàn)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化。
[0026]本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，能夠有效用于金屬材料的表面強(qiáng)化，所用激光器通常是脈沖能量為微焦(毫焦)的微秒脈沖激光器，其價(jià)格相對(duì)于焦耳級(jí)別的納秒脈沖激光器便宜很多。本發(fā)明所述方法利用激光聚焦于水中，誘導(dǎo)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，利用空化泡生長(zhǎng)直至潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波和水射流推動(dòng)工作液中磨粒沖擊金屬材料表面，實(shí)現(xiàn)沖擊強(qiáng)化。通過調(diào)節(jié)激光能量、脈沖頻率、工作液和磨粒類型等工藝參數(shù)，可以有效地控制空泡的動(dòng)力學(xué)行為，提高沖擊波和水射流的沖擊強(qiáng)度，從而能夠大幅提高激光能量的利用率，能量利用率相對(duì)較高。本發(fā)明所述表面強(qiáng)化后的金屬材料，具有較好的抗疲勞、抗磨損性能，而且對(duì)于用于復(fù)雜的局部區(qū)域的金屬材料來說，具有較好的加工適應(yīng)性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中激光沖擊強(qiáng)化原理示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明所述基于激光誘導(dǎo)空化的金屬材料表面沖擊強(qiáng)化裝置使用過程的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中:1為激光束，2為透鏡組，3為空化泡，4為水射流，5為金屬材料，6為容器，7為高透玻璃，8為工作液，9為載物臺(tái)，10為三維精密移動(dòng)平臺(tái)，11為微細(xì)磨粒，12為工件，13為靶內(nèi)傳播的沖擊波，14為吸收涂層(黑漆或鋁漆)，15為約束層(流水或玻璃)，16為強(qiáng)脈沖激光束，17為高壓等離子體。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為更好的說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0031]本發(fā)明一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，如圖2所示，所述裝置包括盛裝有工作液8的容器6、設(shè)于所述工作液8中的載物臺(tái)9、安裝于所述載物臺(tái)9上的基底材料、覆蓋于所述工作液8液面的高透玻璃7，所述高透玻璃7的上方設(shè)有用于通過激光束I的透鏡組2，所述工作液8中分布有微細(xì)磨粒11。
`[0032]激光束I和透鏡組2組成光路系統(tǒng)，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點(diǎn)位置可調(diào)，實(shí)現(xiàn)空化泡3的大小和形成位置，沖擊波、水射流4的產(chǎn)生和強(qiáng)度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制金屬材料5表面的沖擊強(qiáng)化效果。容器6中盛放有工作液8，激光聚焦到工作液8中，誘導(dǎo)發(fā)生空化現(xiàn)象。容器6中的工作液8引入分布有微細(xì)磨粒11，利用空化過程產(chǎn)生的沖擊波和水射流4推動(dòng)微細(xì)磨粒11運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬材料5表面的進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。同時(shí)，可以通過改變微細(xì)磨粒11的類型(如大小、種類等)來優(yōu)化強(qiáng)化效果。高透玻璃7覆蓋于工作液8上方，有效地避免了激光在液面發(fā)生空化，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過高透玻璃7，激光能量更加有效地作用于金屬材料5的表面，同時(shí)也增加了空化過程產(chǎn)生沖擊波和水射流4的強(qiáng)度，加強(qiáng)了沖擊強(qiáng)化的效果。
[0033]較佳地，所述透鏡組2的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束I的激光器。所述激光器發(fā)射的激光束I的激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小和激光焦點(diǎn)位置可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)空化泡3的大小和形成位置，沖擊波、水射流4的產(chǎn)生和強(qiáng)度可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制金屬材料5表面的沖擊強(qiáng)化效果。
[0034]更佳地，所述激光器為脈沖能量為微焦或毫焦的微秒脈沖激光器。所述激光器采用脈沖能量為微焦或毫焦的微秒脈沖激光器時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)中采用的焦耳級(jí)別的納秒脈沖激光器相比，價(jià)格便宜很多，成本得到顯著降低。
[0035]較佳地，所述容器6安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)10上。金屬材料5安裝于載物臺(tái)9上方，當(dāng)整個(gè)容器6安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)10上時(shí)，通過控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束I在金屬材料5表面上的掃描，可以滿足形狀比較復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，加工適應(yīng)性較好。
[0036]更佳地，所述三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。當(dāng)三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的X軸、y軸與Z軸的最小分辨率都為0.1微米時(shí)，三維精密移動(dòng)平臺(tái)10能夠更加精密移動(dòng)，更好地滿足形狀比較復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。
[0037]較佳地，所述工作液8為水、甘油或水和甘油的混合液。所述工作液8優(yōu)選但不限于水、甘油或水和甘油的混合液。可以通過改變工作液8的類型(如水、甘油、水和甘油混合液等)來改變其性質(zhì)(如粘性)，進(jìn)一步研究空化泡3的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)金屬表面沖擊強(qiáng)化效果的影響，以便進(jìn)一步提高金屬材料5的抗疲勞、抗磨損等機(jī)械性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及實(shí)際情況，選擇合適類型的液體作為工作液。
[0038]較佳地，所述微細(xì)磨粒11在工作液8中均勻分布。所述微細(xì)磨粒11在工作液8中均勻分布時(shí)，有利于對(duì)金屬材料5表面產(chǎn)生均勻的沖擊強(qiáng)化作用。
[0039]采用如上所述裝置對(duì)金屬材料5表面進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，所述方法包括以下步驟:
[0040](I)將激光束I通過透鏡組2和高透玻璃7，在高透玻璃7和金屬材料5之間的工作液8中聚焦，焦點(diǎn)位置形成空化泡3 ;
[0041](2)在內(nèi)外壓力差的作用下，步驟(1)中形成的空化泡3生長(zhǎng)到一定程度，發(fā)生潰滅，潰滅過程中產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料5表面的水射流4 ；
[0042](3)步驟(2)產(chǎn)生的沖擊波和水射流4推動(dòng)工作液8中的微細(xì)磨粒11沖擊金屬材料5表面,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料5表面的沖擊強(qiáng)化。
[0043]上述所述方法是利用激光聚焦于工作液8中，且焦點(diǎn)聚焦在金屬材料5表面上方。在激光焦點(diǎn)位置會(huì)形成空化泡3，在內(nèi)外壓差的作用下，空化泡3會(huì)逐漸生長(zhǎng)，生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，將發(fā)生潰滅現(xiàn)象，潰滅過程會(huì)產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料5表面的水射流4。因此，可以在工作液8中引入微細(xì)磨粒11，利用沖擊波和水射流4推動(dòng)微細(xì)磨粒11沖擊金屬材料5表面，由于其壓強(qiáng)可以達(dá)到幾百個(gè)兆帕甚至幾個(gè)吉帕，材料表面將會(huì)獲得很高的殘余壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料5表面的沖擊強(qiáng)化。
[0044]較佳地，所述方法還包括以下步驟:(4)控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束I在金屬材料5表面上的掃描,實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。由于金屬材料5安裝于載物臺(tái)9上方，整個(gè)容器6安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)10上，三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的X軸、y軸與z軸的最小分辨率都為0.1微米。通過控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)10的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束I在金屬材料5表面上的掃描，可以滿足形狀比較復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，加工適應(yīng)性較好。
[0045]采用上述所述方法對(duì)表面強(qiáng)化后的金屬材料，顯著提高了金屬材料的抗疲勞、抗磨損性能，而且對(duì)于用于復(fù)雜的局部區(qū)域的金屬材料來說，具有較好的加工適應(yīng)性。
[0046]最后所應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述裝置包括盛裝有工作液的容器、設(shè)于所述工作液中的載物臺(tái)、安裝于所述載物臺(tái)上的基底材料、覆蓋于所述工作液液面的高透玻璃，所述高透玻璃的上方設(shè)有用于通過激光束的透鏡組，所述工作液中分布有微細(xì)磨粒。
2.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述透鏡組的上方設(shè)有用于發(fā)射激光束的激光器。
3.如權(quán)利要求2所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述激光器為脈沖能量為微焦或毫焦的微秒脈沖激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述容器安裝于三維精密移動(dòng)平臺(tái)上。
5.如權(quán)利要求4所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述三維精密移動(dòng)平臺(tái)的X軸、Y軸和Z軸的最小分辨率均為0.1微米。
6.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述工作液為水、甘油或水和甘油的混合液。
7.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)空化的金屬表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述微細(xì)磨粒在工作液中均勻分布。
8.一種采用如權(quán)利要求1~7任一所述裝置進(jìn)行金屬表面強(qiáng)化的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將激光束通過透鏡組和高透玻璃，在高透玻璃和金屬材料之間的工作液中聚焦，焦點(diǎn)位置形成空化泡； (2)在內(nèi)外壓力差的作用下，步驟(1)中形成的空化泡生長(zhǎng)到一定程度，發(fā)生潰滅，潰滅過程中產(chǎn)生沖擊波和指向金屬材料表面的水射流； (3)步驟(2)產(chǎn)生的沖擊波和水射流推動(dòng)工作液中的微細(xì)磨粒沖擊金屬材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面的沖擊強(qiáng)化。
9.如權(quán)利要求8所述金屬表面 強(qiáng)化方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟:(4)控制三維精密移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束在金屬材料表面上的掃描，實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的局部區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。
10.一種采用如權(quán)利要求8或9所述方法強(qiáng)化后的金屬材料。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK103849757SQ201410086462
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】郭鐘寧, 黃詩彬, 黃志剛, 印四華, 鄧宇, 唐勇軍 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)