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      使用超短激光脈沖進行激光沖擊沖擊強化

      2021-11-10 14:25:07

      1.簡介

       

      激光沖擊強化利用激光誘導的沖擊波來改善表面完整性并提高組件的疲勞壽命。當前的激光沖擊強化系統大多采用具有高脈沖能量的納秒(ns)脈沖激光來誘導壓縮沖擊波。這些激光系統重復率(1-5 Hz)較慢,消耗功率較高,且需要保護層和水覆蓋層以在沖擊強化處理期間限制等離子體[1],因此該工藝大部分被應用于高價值組件,例如飛機發動機、翼面和核能船,在這些組件中的實施成本可以證明其效益。在汽車、醫療和制造業的通用應用中,快速、低能沖擊強化工藝具有巨大商機。

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      圖1:實驗裝置示意圖


      由于超短脈沖激光與材料的相互作用時間極短[2],即使在低脈沖能量下也具有高功率密度,因此它可以在材料中產生強沖擊波,而無需任何約束介質。由于超短脈沖的脈沖持續時間短,與納秒脈沖激光相比,熱誘導效應也是Z小的[3];此外,超短脈沖激光器以高重復頻率(103-106 Hz)工作,這使得該工藝過程比納秒脈沖激光器(1-10 Hz)更快。例如,頻率為10 kHz、光斑尺寸為0.1 mm的飛秒脈沖激光比頻率為4 Hz、光斑尺寸為3 mm的納秒脈沖激光達到相同區域的速度大約快2.8倍;因此,超短脈沖激光可能是快速和有效進行組件沖擊強化處理的理想選擇。

       

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      表1:用于實驗試驗的參數


      本文介紹了不同覆蓋度下飛秒(fs)激光沖擊強化對鋼表面完整性影響的研究結果,旨在了解未來設計高效超短激光沖擊強化系統的基本機理。

       

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      圖2:表面的SEM圖像(插圖中的放大圖像顯示出納米波紋結構)


      2.實驗方法

       

      本研究采用AISI 420馬氏體不銹鋼試樣。用波長為800 nm、脈寬為50 fs、重復率為1 kHzCoherent Libra Ti:sapphire飛秒激光系統進行飛秒激光沖擊強化試驗。實驗裝置示意圖如圖1所示。所有實驗均在空氣中進行,不使用任何保護性覆蓋物和限制介質。通過多次掃描整個表面的激光束點來改變覆蓋度(1)。用先進的顯微鏡法、硬度壓痕法和X射線衍射法(殘余應力)對沖擊強化表面進行了分析。

       

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      圖3:顯示7980%高覆蓋率下點蝕損傷的SEM圖像


      3.結果與分析

       

      2示出了飛秒激光沖擊強化后試樣的典型表面。掃描線指示由于飛秒激光治療引起的表面燒蝕。這可能是由于沖擊強化過程中的峰值功率密度高于鋼的燒蝕閾值[4]。沖擊強化表面的放大圖像(2的插圖)顯示整個表面都存在表面納米波紋結構。這些納米波紋結構是由于超短激光脈沖與表面等離子體激元的相互作用而形成的[5]。在高覆蓋度下,也可以在表面上觀察到一些微坑,如圖3所示。這些凹坑必須是由于多次照射消融期間的孵育效應形成的,這導致損傷累積[6]。這表明在沖擊強化過程中,低覆蓋度可能更有利于獲得光滑的表面。

       

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      圖4:(a)飛秒沖擊強化試樣的橫截面圖像;(b)沖擊強化邊緣附近的微結構;(c)基區微結構


      對飛秒激光沖擊強化表面的橫截面觀察顯示,通過燒蝕去除了一些材料(4a)。鋼在沖擊強化表面附近和基底區域的微結構如圖4b4c所示?;孜⒔Y構由鐵素體基體中隨機分布的碳化物組成。激光沖擊強化邊緣似乎經歷了快速相變,導致馬氏體相的形成,而碳化物仍未溶解在基體中,這可能是由于飛秒激光束的相互作用時間較短。

       

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      圖5:在不同覆蓋條件下處理的試樣的表面微硬度


      5比較了不同覆蓋因子下的飛秒激光沖擊強化表面的硬度??梢杂^察到,在沖擊強化處理之后,與原始表面相比,表面硬度增加。這表明在激光沖擊強化后應進行微結構細化。結果表明,表面硬度與覆蓋因子成正比,在7853%的高覆蓋度下,達到約229 HVzui硬度;然而,由于不確定性因素高達±10 HV,因此增量似乎不太顯著。

       

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      圖6:不同飛秒激光沖擊強化條件下的表面殘余應力


      表面殘余應力測量結果如圖6所示。初始表面的拉伸殘余應力約為+16 MPa。在覆蓋度為981%的條件下進行飛秒激光沖擊強化處理后,應力狀態變為壓縮狀態,應力值約為-23 MPa。覆蓋度的進一步增加使得壓縮殘余應力的大小降低。有趣的是,當覆蓋率為3927%(C3)時,殘余應力變得完全拉伸。當覆蓋度達到7853%(C4)時,拉伸殘余應力達到+23 MPa。

       

      與鋼的屈服應力(304 MPa)相比,測量的殘余應力非常低。這可能是由于在激光-材料相互作用期間表面附近存在其他現象。為了測量次表面區域的飛秒沖擊強化的影響,測量了沿深度的不同位置處的殘余應力(7)??梢钥闯?,在所有情況下,zui殘余壓應力都發生在次表面區域,深度約為5-25 μm。表面附近的尖銳應力梯度表明微結構轉變在決定表面附近殘余應力狀態中起主導作用。

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      7:不同覆蓋度下試件殘余應力沿深度的變化


      可進一步探討這種變化的細節(再結晶、位錯密度、相變等),以了解其機制。此外,沖擊強化效應沿深度迅速消散,并且在超出表面100 μm范圍內幾乎沒有觀察到效應。還應當指出,覆蓋因子的增加并沒有增加影響的深度。相反,覆蓋因子越高,次表面區域的zui殘余壓應力就越緩和。

       

      4.討論

       

      當飛秒激光脈沖照射表面時,來自激光束的能量通過反軔致輻射過程被表面自由電子吸收[7]并產生直接燒蝕。材料去除在材料中產生反沖沖擊波。正是這種后坐沖擊波引起了材料中的壓縮殘余應力。另一方面,也存在其他競爭機制。來自飛秒激光脈沖的能量也在表面產生一些熱效應??焖偌訜岷屠鋮s引起淬火應力,這在本質上是拉伸的。此外,在鋼表面可能發生馬氏體轉變,產生壓縮殘余應力,而在飛秒激光加工期間也可能發生各種表面機制,例如納米紋波結構、氧化和絲化[8]。這導致材料中的拉伸殘余應力,因此殘余應力狀態取決于所有這些因素的影響。

      在我們的實驗中,對于981%相對低覆蓋度下的飛秒激光沖擊強化,熱效應和表面效應主要是由沖擊波和馬氏體相變引起的有利壓縮應力。隨著覆蓋度的增加,表面可利用的較高流暢性導致較高的熱應力和表面效應,從而減小了表面和次表面區域的壓縮殘余應力的大小。在更高覆蓋度下,熱效應更占主導地位,因此在表面記錄到拉伸殘余應力;然而,熱效應不能穿透材料中較高的深度,因此在次表面發現了壓縮殘余應力,盡管其大小較小。結果表明,對于選定的參數范圍,981%的低覆蓋率達到了zui效果。

       

      因此,研究表明飛秒激光的沖擊強化效應取決于多種因素的組合。避免熱效應和表面效應的技術應該可以提高飛秒激光沖擊強化的效率。

       

      5.結語

       

      本研究評估了激光沖擊強化強化鋼表面完整性的可行性。結果表明,飛秒激光對鋼表面有明顯的沖擊強化強化作用;然而,由于測得的zui殘余壓應力約為-80 MPa,影響深度約為100 μm,因此其大小和影響深度小于常規工藝。

      材料殘余應力狀態由四個主要因素的綜合作用決定:(1)材料燒蝕(壓縮)引起的后坐沖擊波;(2)由于快速加熱和冷卻(拉伸)而引起的熱淬火;(3)馬氏體相變(壓縮);以及(4)表面效應,例如納米紋波結構和氧化(拉伸)。鋼上存在拉伸殘余應力和壓縮殘余應力,這取決于上述任一因素的主導作用。相對較低覆蓋度的激光沖擊強化處理促進了沖擊波效應和相變,導致整體壓縮應力。相反,高覆蓋度的沖擊強化處理增加了產生總拉伸應力的熱和表面效應。正在進行進一步的研究,以獲得更高的沖擊強化效果,并zui限度降低飛秒激光-材料相互作用的有害影響。

       


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