基于激光沖擊的金屬材料機(jī)械性能研究及影響分析

郭子景

（廣東科達(dá)潔能股份有限公司，廣東 佛山 528313）

對于金屬材料機(jī)械性能的改善，最常使用且最有效的方式就是激光沖擊包括不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金等金屬材料，激光沖擊作用之后，能夠提高鋁合金的疲勞壽命，達(dá)到4倍意義上，從而代替了噴丸處理這種傳統(tǒng)技術(shù)。然后是金屬材料當(dāng)中的P-N結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)擴(kuò)散以及鐵芯磁損耗，更是可以利用激光沖擊進(jìn)行改善[1,2]。可以說，對于金屬材料而言，往往都能夠通過激光沖擊的應(yīng)用，提高金屬材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性，特別是在疲勞壽命方面，更是能夠使其得到大大提高。激光沖擊的金屬材料，在機(jī)械性能有著極強(qiáng)的改善，對于提高金屬材料的實(shí)際使用壽命和使用穩(wěn)定性而言具有極大的價值，更是能夠使金屬材料在各個行業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中具有更好的前景以及帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要對于這一方面展開了探討，以下為詳細(xì)內(nèi)容[3]。

1 材料說明

激光沖擊處理所采用的金屬材料為：2024T62鋁合金，而激光裝備則為高功率密度的釹玻璃激光裝置。以下對于這兩點(diǎn)逐一展開說明：

第一，金屬材料：2024T62鋁合金。該金屬材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能如下表所示：能夠充分的吸收激光，需要在金屬材料涂面層覆蓋透明K9光學(xué)玻璃片將其作為約束層，從而增加激光沖擊處理過程當(dāng)中金屬材料所受的壓力。

分析金屬材料疲勞壽命的試件主要采用雙聯(lián)狗骨型緊固孔疲勞試件，其涂層和約束層同上，試件的兩個孔，一個為雙面激光強(qiáng)化使用，另一個作為對比使用。

第二，本試驗(yàn)所采取的激光裝置為高功率密度的釹玻璃激光裝置。該裝置進(jìn)行激光沖擊處理時，裝置的光路系統(tǒng)都是有諧振腔、前置放大1/2、主方大1/2/3三個部分構(gòu)成的，激光波長的長達(dá)達(dá)到1.06μm，單脈沖最大能量約為40焦。

試驗(yàn)采用的調(diào)制晶體為KDP晶體，氙燈電壓增加到1280伏，這樣才能夠保證激光脈沖寬度達(dá)到30ns。緊接著需要調(diào)整光路系統(tǒng)，從而確保激光能量為調(diào)制過的激光能量，沒有自由震蕩作用所產(chǎn)生的能量[4]。采用7834Tek儲存示波器監(jiān)測激光波形，最后得出結(jié)論：激光脈沖寬度最大寬達(dá)30ns，能夠?qū)崿F(xiàn)在線能量控制，這一過程當(dāng)中如果發(fā)現(xiàn)能量波動太大或者等不正常情況，就需要檢查光路系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，氙燈電壓的調(diào)整使其恢復(fù)至正常狀態(tài)。

表1 激光沖擊處理金屬材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能

試驗(yàn)所使用的金屬材料尺寸為15mm＊20mm＊3mm，表面涂黑漆涂層，厚度長達(dá)0.1mm，確保在激光沖擊試驗(yàn)當(dāng)中

2 對硬度的影響

激光處理會產(chǎn)生極強(qiáng)的應(yīng)力波，進(jìn)而金屬表面會形成沖擊力，峰值壓力可達(dá)到1.75GPa甚至以上。如果應(yīng)力波傳播進(jìn)入到了金屬材料的內(nèi)部，那么峰壓便會超出金屬材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致金屬材料的塑性變形。

塑性變形會持續(xù)到峰壓小于態(tài)屈服強(qiáng)度，最后，金屬材料表面會不斷的冷卻硬化，增強(qiáng)疲勞壽命。

激光沖擊處理過程當(dāng)中激光沖擊參數(shù)如下：能量為27.5J，激光脈寬為30ns，功率密度為1.12GW/cm2，光斑直徑為10mm，通過相關(guān)的計算可得出金屬材料表面的沖擊波峰壓大約在1.8GPa，大于鋁合金這種金屬材料表面的動態(tài)屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致金屬材料表面的塑性變形。此外，由于激光光斑的能量分布進(jìn)金屬材料表面也具有很大的差異性，金屬材料激光沖擊區(qū)的硬度有著明顯的上升，綜合而言，金屬材料的平均硬度提高了40%以上。

3 對晶粒的影響

對金屬材料激光沖擊前后的金相圖片的對比，透過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察之后可以得出以下結(jié)論：金屬材料使用激光沖擊強(qiáng)化處理后，表層晶體的尺寸相比較于未處理之前，明顯變小，因而我們可以看出，激光沖擊處理能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料晶體的細(xì)化，抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生，提高疲勞壽命[5]。

4 對疲勞壽命的影響

對金屬材料展開激光沖擊處理時，激光沖擊參數(shù)如下：單脈沖平均能量為16.5J，激光脈沖寬度為30ns，光斑直徑為7mm，平均功率密度為1.45GW/cm2，所產(chǎn)生的沖擊波峰壓大約為1.95GPa，且經(jīng)過相關(guān)的檢驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，在金屬材料的沖擊區(qū)已經(jīng)形成了標(biāo)記緊密的光亮圈，且表面粗糙程度遠(yuǎn)低于未受沖擊的區(qū)域，且出現(xiàn)了略微的凹陷，深度為10μm～20μm之間。出現(xiàn)凹陷的主要原因是金屬材料塑性變形的結(jié)果。

使用對比法對金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，金屬材料在使用激光沖擊處理之后，疲勞壽命實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的增長，是未受激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)金屬材料的5倍～15倍左右。

5 結(jié)語

相比較于傳統(tǒng)金屬材料機(jī)械性能改善技術(shù)，激光終極主要采用的是通過對高功率密度短脈沖強(qiáng)激光沖擊金屬表面，實(shí)現(xiàn)金屬表面涂層的汽化和電離對金屬材料內(nèi)部形成強(qiáng)壓縮沖擊波，對金屬材料表層進(jìn)行塑性變形，最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。因而激光沖擊之后的金屬材料，無論是強(qiáng)度、硬度、還是疲勞壽命而言，都有著極大的改善。因而可以說，在金屬材料機(jī)械性能的處理過程當(dāng)中，激光沖擊是一種最為有效，且最為使用的改善方式。本文主要從三個方面對于基于激光沖擊的金屬材料機(jī)械性能研究及影響分析展開了探究，可供相關(guān)人士參考。