一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法

1.本发明涉及激光表面改性技术领域，具体涉及一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法。


背景技术：

2.镍基单晶高温合金具有特殊的微观组织结构，它包含γ基体相和立方体状的γ'沉淀相，其中γ'沉淀相均匀地嵌在γ基体中；与多晶材料不同，镍基单晶高温合金具有各向异性，使得它具有优良的机械性能。
3.作为一种高效的表面改性技术，激光喷丸强化(laser shock peening，lsp)利用高能激光诱导的冲击波压力进行材料表面改性，可有效改善材料近表面的应力分布和微观结构，从而有效延缓裂纹扩展速度，提高金属部件的疲劳寿命；此外，激光喷丸强化具有热变形小、几何适应性好等优点，是解决航空发动机疲劳老化问题的有效手段。
4.激光温喷丸强化(warm laser shock peening，wlsp)是一种新的激光冲击强化技术，即先将样品加热到动态应变时效温度(0.2～0.5tm,tm为材料熔点)，在此温度下对样品进行激光喷丸强化。激光温喷丸强化结合了激光喷丸强化和动态应变时效(dynamic strainaging，dsa)的优点，在激光温喷丸强化之后，样品表面发生位错扩展、出现高密度位错缠结，形成了稳定的位错结构，提高了材料在高温条件下的热稳定性。
5.当样品进行激光温喷丸强化之后，材料近表面将会产生致密的位错网络，和具有一定热稳定的残余压应力层，但是其存在残余压应力的热稳定性差的缺点。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，防止残余压应力高温下发生热释放，获得致密稳定的残余压应力层，残余压应力的热稳定性与材料的表面硬度和位错密度呈正相关，通过这两个指标对样品残余压应力的热稳定性进行表征。
7.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，包括以下步骤：
9.1)线切割得到用于强化处理的镍基单晶高温合金样品；
10.2)对样品进行激光温喷丸强化；
11.3)对激光温喷丸强化后的样品进行激光喷丸强化；
12.4)对激光喷丸强化后的样品进行表面硬度测量；
13.5)用透射电镜对激光喷丸强化后的样品表面微观组织结构进行观察；
14.6)对激光温喷丸强化、激光喷丸强化的参数进行优化，使强化后样品的硬度值更大，微观组织结构的位错密度更大。
15.所述的步骤1)中镍基单晶高温合金样品型号为dd6，表面粗糙组控制在0.4μm以下。
16.所述的步骤2)中激光温喷丸强化的参数为：温度350～450℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％～50％，冲击次数1～3次，激光温喷丸强化中，吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃，激光光束固定，样品固定在机械臂上，通过机械臂移动，对样品不同位置进行激光温喷丸，温喷丸温度范围为0.2～0.5tm，其中tm为dd6熔点。
17.所述的步骤3)中激光喷丸强化的参数为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％～50％，冲击次数1～3次；样品冷却至室温，进行激光喷丸强化，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃，激光光束固定，样品固定在机械臂上，通过机械臂移动，对样品不同位置进行激光喷丸。
18.所述的步骤4)中表面硬度测量采用数字显微维氏硬度计，在样品喷丸面施加1.961n的负载，负载保持15秒，每个表面的显微硬度被测量五次并取平均值，最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比硬度结果。
19.所述的步骤5)中样品表面微观组织结构观察采用场发射透射电子显微镜(jeol jem-f200(hr))，样品的制备步骤如下：首先用#500到#2000的砂纸在样品喷丸面的对面进行打磨抛光，直到样品的厚度小于30μm，之后在20℃的10vol％高氯酸和90vol％乙醇的溶液中通过双喷电解抛光对样品进行打孔；最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比结果。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明综合了激光温喷丸和激光喷丸两项强化技术的优点，样品强化效果好；镍基单晶高温合金广泛应用于航空发动机叶片，通过本发明方法，叶片抗疲劳的工程应用前景广大。
附图说明
22.图1为本发明实施例1和与未喷丸样品、两次激光喷丸样品硬度对比示意图。
23.图2为本发明实施例1和与未喷丸样品、两次激光喷丸样品透射电镜图对比示意图。
具体实施方式
24.下面将结合实施例及附图，对本发明做进一步的详细说明。
25.实施例1，一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，包括以下步骤：
26.1)线切割得到用于强化处理的镍基单晶高温合金样品；
27.镍基单晶高温合金样品型号为dd6，将镍基单晶高温合金进行线切割，并依次按#200～#1500的砂纸进行打磨抛光，将样品的表面粗糙度控制在0.4μm以下；
28.2)对样品进行激光温喷丸强化；
29.镍基单晶高温合金温喷丸强化在六自由度机械臂上进行，样品固定在加热板上，加热板将样品加热到样品的动态应变时效温度后，通过机械臂移动激光束固定的方法，对样品的不同区域进行激光温喷丸强化，强化完成后，样品空冷至室温取出，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃；温喷丸温度范围为0.2～0.5tm，其中tm为dd6熔点；
30.激光温喷丸强化参数：激光温喷丸强化的参数为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；
31.3)对激光温喷丸强化后的样品进行激光喷丸强化；
32.镍基单晶高温合金喷丸强化实验在六自由度机械臂上进行，通过机械臂移动激光束固定的方法，对样品的不同区域进行激光喷丸强化，强化完成后，取出样品，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃；
33.激光喷丸强化参数为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；
34.4)对激光喷丸强化后的样品进行表面硬度测量；
35.表面硬度测量采用数字显微维氏硬度计(hx-1000tm/lcd)，在样品喷丸面施加1.961n的负载，负载保持15秒，每个表面的显微硬度被测量五次并取平均值；最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比硬度结果，如图1所示，样品按硬度从高到低排序为：激光温喷丸与激光喷丸组合强化样品、两次激光喷丸样品、未喷丸样品，说明激光温喷丸与激光喷丸组合强化效果更好；
36.5)用透射电镜对激光喷丸强化后的样品表面微观组织结构进行观察；
37.样品表面微观组织结构观察采用场发射透射电子显微镜(jeol jem-f200(hr))，样品的制备步骤如下：首先用砂纸(#500到#2000)在样品喷丸面的对面进行打磨抛光，直到样品的厚度小于30μm，之后在20℃的10vol％高氯酸和90vol％乙醇的溶液中通过双喷电解抛光对样品进行打孔，最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比结果，如图2所示，样品按微观组织结构的位错密度从大到小排序为：激光温喷丸与激光喷丸组合强化样品、两次激光喷丸样品、未喷丸样品，说明激光温喷丸与激光喷丸组合强化效果更好；
38.6)对激光温喷丸强化、激光喷丸强化的参数进行优化，使强化后样品的硬度值更大，微观组织结构的位错密度更大。
39.实施例2，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度400℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；其它步骤不变。
40.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1中的组合强化样品更高、更大。
41.实施例3，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度450℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；其它步骤不变。
42.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1和实施例2中的组合强化样品更高、更大。
43.实施例1、实施例2、实施例3中，随着温喷丸温度的升高，组合强化样品表面表面硬度升高和微观组织结构中的位错密度增大，说明升高温喷丸温度是优化实验参数的途径之一。
44.实施例4，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率40％，冲击次数1次；步骤3)中激光喷丸强化的参数改为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率40％，冲击次数1次；其它步骤不变。
45.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例
1中的组合强化样品更低、更小；此外，本实施例的两次激光喷丸强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1中的两次激光喷丸强化样品更低、更小。
46.实施例5，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％，冲击次数1次；步骤3)中激光喷丸强化的参数改为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％，冲击次数1次；其它步骤不变。
47.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1和实施例4中的组合强化样品更低、更小；此外，本实施例的两次激光喷丸强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1和实施例4中的两次激光喷丸强化样品更低、更小。
48.实施例1、实施例4、实施例5中，随着温喷丸搭接率的降低，组合强化样品和两次激光喷丸强化样品表面硬度降低和微观组织结构中的位错密度减小，说明升高温喷丸搭接率是优化实验参数的途径之一。
49.实施例6，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数2次；步骤3)中激光喷丸强化的参数改为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数2次；其它步骤不变。
50.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1中的组合强化样品更高、更大；此外，本实施例的两次激光喷丸强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1中的两次激光喷丸强化样品更高、更大。
51.实施例7，将实施例1步骤2)中激光温喷丸强化的参数改为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数3次；步骤3)中激光喷丸强化的参数改为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数3次；其它步骤不变。
52.本实施例的组合强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1和实施例6中的组合强化样品更高、更大；此外，本实施例的两次激光喷丸强化样品表面硬度、样品表面微观组织结构的位错密度比实施例1和实施例6中的两次激光喷丸强化样品更高、更大。
53.实施例1、实施例6、实施例7中，随着温喷丸冲击次数的升高，组合强化样品和两次激光喷丸强化样品表面硬度升高和微观组织结构中的位错密度增大，说明升高温喷丸冲击次数是优化实验参数的途径之一。
54.综合实施例1～7，可以得到：可以通过升高激光温喷丸的喷丸温度、升高组合强化的搭接率、升高组合强化的冲击次数，来优化实验参数。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)线切割得到用于强化处理的镍基单晶高温合金样品；2)对样品进行激光温喷丸强化；3)对激光温喷丸强化后的样品进行激光喷丸强化；4)对激光喷丸强化后的样品进行表面硬度测量；5)用透射电镜对激光喷丸强化后的样品表面微观组织结构进行观察；6)对激光温喷丸强化、激光喷丸强化的参数进行优化，使强化后样品的硬度值更大，微观组织结构的位错密度更大。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中镍基单晶高温合金样品型号为dd6，表面粗糙组控制在0.4μm以下。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤2)中激光温喷丸强化的参数为：温度350～450℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％～50％，冲击次数1～3次，激光温喷丸强化中，吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃，激光光束固定，样品固定在机械臂上，通过机械臂移动，对样品不同位置进行激光温喷丸，温喷丸温度范围为0.2～0.5tm，其中tm为dd6熔点。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤3)中激光喷丸强化的参数为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率30％～50％，冲击次数1～3次；样品冷却至室温，进行激光喷丸强化，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃，激光光束固定，样品固定在机械臂上，通过机械臂移动，对样品不同位置进行激光喷丸。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤4)中表面硬度测量采用数字显微维氏硬度计，在样品喷丸面施加1.961n的负载，负载保持15秒，每个表面的显微硬度被测量五次并取平均值，最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比硬度结果。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤5)中样品表面微观组织结构观察采用场发射透射电子显微镜，样品的制备步骤如下：首先用#500到#2000的砂纸在样品喷丸面的对面进行打磨抛光，直到样品的厚度小于30μm，之后在20℃的10vol％高氯酸和90vol％乙醇的溶液中通过双喷电解抛光对样品进行打孔；最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比结果。7.一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)线切割得到用于强化处理的镍基单晶高温合金样品；镍基单晶高温合金样品型号为dd6，将镍基单晶高温合金进行线切割，并依次按#200～#1500的砂纸进行打磨抛光，将样品的表面粗糙度控制在0.4μm以下；2)对样品进行激光温喷丸强化；镍基单晶高温合金温喷丸强化在六自由度机械臂上进行，样品固定在加热板上，加热板将样品加热到样品的动态应变时效温度后，通过机械臂移动激光束固定的方法，对样品的不同区域进行激光温喷丸强化，强化完成后，样品空冷至室温取出，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃；温喷丸温度范围为0.2～0.5t
m
，其中t
m
为dd6熔点；激光温喷丸强化参数：激光温喷丸强化的参数为：温度350℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；
3)对激光温喷丸强化后的样品进行激光喷丸强化；镍基单晶高温合金喷丸强化实验在六自由度机械臂上进行，通过机械臂移动激光束固定的方法，对样品的不同区域进行激光喷丸强化，强化完成后，取出样品，其中吸收层为铝箔，约束层为石英玻璃；激光喷丸强化参数为：温度20℃，波长1064nm，单脉冲能量7j，脉宽20ns，频率1hz，光斑直径3mm，搭接率50％，冲击次数1次；4)对激光喷丸强化后的样品进行表面硬度测量；表面硬度测量采用数字显微维氏硬度计，在样品喷丸面施加1.961n的负载，负载保持15秒，每个表面的显微硬度被测量五次并取平均值；最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比硬度结果，样品按硬度从高到低排序为：激光温喷丸与激光喷丸组合强化样品、两次激光喷丸样品、未喷丸样品；5)用透射电镜对激光喷丸强化后的样品表面微观组织结构进行观察；样品表面微观组织结构观察采用场发射透射电子显微镜，样品的制备步骤如下：首先用#500到#2000砂纸在样品喷丸面的对面进行打磨抛光，直到样品的厚度小于30μm，之后在20℃的10vol％高氯酸和90vol％乙醇的溶液中通过双喷电解抛光对样品进行打孔，最后与未喷丸样品、两次激光喷丸样品对比结果，样品按微观组织结构的位错密度从大到小排序为：激光温喷丸与激光喷丸组合强化样品、两次激光喷丸样品、未喷丸样品；6)对激光温喷丸强化、激光喷丸强化的参数进行优化，使强化后样品的硬度值更大，微观组织结构的位错密度更大。

技术总结
一种激光温喷丸与激光喷丸的组合强化方法，先线切割得到用于强化处理的镍基单晶高温合金样品，然后对样品进行激光温喷丸强化，再对激光温喷丸强化后的样品进行激光喷丸强化，然后对激光喷丸强化后的样品进行表面硬度测量，再用透射电镜对激光喷丸强化后的样品表面微观组织结构进行观察，最后对激光温喷丸强化、激光喷丸强化的参数进行优化，使强化后样品的硬度值更大，微观组织结构的位错密度更大；本发明综合了激光温喷丸和激光喷丸两项强化技术的优点，样品强化效果好；防止残余压应力高温下发生热释放，获得致密稳定的残余压应力层，可广泛应用于航空发动机叶片。可广泛应用于航空发动机叶片。可广泛应用于航空发动机叶片。


技术研发人员：王恪典 唐章涵 耿永祥 董霞 段文强 梅雪松
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8