本發明涉及高性能鋁合金
技術領域：
，具體涉及一種鋁合金超低溫的激光沖擊強化方法，強化后的鋁合金主要適用于航空航天領域，適合做飛機、導彈和空間探測器等的結構材料。
背景技術：
：鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業等方面。鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好。添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度。鋁合金的強度與比重之比——“比強度”勝過很多合金鋼，是理想的結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。技術實現要素：本發明的目的是提供一種鋁合金的超低溫激光沖擊強化方法，該方法能夠提高鋁合金的拉伸性能，且操作簡單，成本低，綠色無污染，強化效果顯著。為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：一種鋁合金的超低溫激光沖擊強化方法，該方法是采用激光沖擊強化技術對鋁合金試件進行強化處理，該方法具體包括如下步驟：(1)試件表面覆蓋吸收層：在潔凈間中，在鋁合金試件的工作端面上覆蓋厚度為80-150μm的吸收層；所述吸收層為黑漆、鋁箔或黑膠帶；(2)施加約束層：將覆蓋有吸收層的鋁合金試件安裝在工作臺上，在吸收層上施加一層厚度為1-3mm的約束層；所述約束層為光學透光玻璃；(3)激光預沖擊處理：將鋁合金試件工作端面朝向激光束，以脈寬為3-40ns、波長為532nm或1064nm、激光能量為0.5-10j、重復頻率為0.1-10hz、光束直徑為0.5-10mm的激光束進行預沖擊處理；預沖擊處理中，搭接率為0-50％，沖擊1-2遍；(4)激光沖擊處理：預沖擊處理后，將鋁合金試件放入深冷箱中，在-125～-135℃的超低溫環境下，以脈寬為3-40ns、波長為532nm或1064nm、激光能量為1-20j、重復頻率為0.1-10hz、光束直徑為0.5-10mm的激光束進行沖擊處理；沖擊處理中，搭接率為0-50％，沖擊2-6遍；所述超低溫環境的實現過程為：將鋁合金試件放入深冷箱中，通過漏斗向深冷箱中不斷補充液氮，同時保持鋁合金試件底部與液氮接觸，并使其保持在-125～-135℃。該方法中，在鋁合金試件表面覆蓋吸收層之前，對試件工作端面進行預處理，預處理過程為：將試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇水溶液的超聲清洗機中，在超聲頻率為38-47khz條件下清洗8-10min；再用0.4-0.8mpa的干燥氮氣吹干，然后放入干燥箱中，在100℃干燥10min。對鋁合金試件工作端面預處理中清洗的目的是為保證工件上沒有殘留有機物質和前期試件切削留下的切屑；干燥的目的是為后續吸收層的粘貼或涂覆做準備，提高吸收層與鋁合金試件表面的結合力。該方法中，在對鋁合金試樣進行激光沖擊處理后，對試樣表面進行清洗，清洗過程為：首先去除試件工作端面涂覆的吸收層，然后將試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇水溶液的超聲清洗機中，在超聲頻率為38-47khz條件下清洗10-15min，再用去離子水沖洗1-2min后，用干燥的氮氣吹干。該方法中，步驟(2)進行預沖擊處理時使用的激光能量為步驟(3)進行沖擊處理時使用的激光能量的二分之一。上述步驟(1)中，吸收層以粘貼或涂覆的方式覆蓋于鋁合金試件工作端面上，吸收層的厚度要求均勻，吸收層與試件表面之間無氣泡。上述步驟(2)中，施加的約束層是光學透光玻璃，要求玻璃能夠透過波長532nm和1064nm的激光束，并要求玻璃與吸收層之間貼合緊密無縫隙。本發明所述的潔凈間為萬級潔凈間(又稱為無塵室或清凈室)，根據gb/t16292-1996，空氣潔凈度分級標準如表1：表1gb/t16292-1996中空氣潔凈度分級標準為提高鋁合金材料的力學性能，本發明提出超低溫激光沖擊強化技術。該超低溫激光沖擊強化技術是在遠低于環境溫度的條件下，利用短脈沖的高能量密度的激光輻照金屬表面，金屬表面的吸收層(黑漆、鋁箔、黑膠帶等)吸收激光能量發生爆炸性汽化，汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量并形成高溫、高壓的等離子體，等離子體受到約束層(光學玻璃)的約束，形成高強度壓力沖擊波，作用于金屬表面并向金屬內部傳播，由于這種沖擊波壓力高達數個gpa，其峰值應力遠遠大于材料的動態屈服強度，使材料表面在低溫環境發生強烈的塑性變形，引起晶格畸變、位錯和晶粒細化，低溫環境下產生的這一系列變化顯著提高了金屬表面的硬度和抗拉強度。針對鋁合金材料，需要與之相適應的工藝過程并制定合適的各工藝參數，各工藝參數之間產生協同作用以獲得高硬度、拉伸性能優異的鋁合金試樣。本發明有益效果如下：1、本發明方法在鋁合金試件表面覆蓋吸收層吸收激光能量防止激光灼傷金屬材料表面；在試件表面吸收層上施加一層約束層約束激光沖擊波增加沖擊力；然后以脈寬為3-40ns、波長為532nm或1064nm、激光能量為0.5-20j、重復頻率為0.1-10hz、光束直徑為0.5-10mm的激光束進行預沖擊處理，接著將鋁合金試件放入不斷補充液氮的深冷箱中，使其保持在-125～-135℃(優選為-130±2℃)，再以激光束進行超低溫沖擊處理；接著去除鋁合金試件表面涂覆的吸收層；最后利用去離子水清洗后用干燥的氮氣吹干。采用本發明的激光沖擊強化方法，制定與鋁合金相適應的工藝過程和各參數，使得鋁合金試件表面顯微硬度可提高30％以上(相比于未處理的試樣)；2、采用本發明激光沖擊強化方法，可有效細化鋁合金表面微觀組織的晶粒，減少了拉伸斷裂過程中的應力集中，抑制了裂紋的擴展；3、采用本發明激光沖擊強化方法，可使鋁合金試件的拉伸性能(抗拉強度和屈服強度)提高20％以上(相比于未處理的試樣)。附圖說明圖1是本發明鋁合金試件進行激光沖擊強化處理工藝流程圖。圖2是本發明所使用的標準拉伸試件規格。圖3是本發明強化過程示意圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例詳述本發明。本發明為鋁合金的超低溫激光沖擊強化方法，其工藝流程及強化過程如圖1和圖3所示。以下實施例所用鋁合金試件包括常規試件和標準拉伸試件，其中：常規試件為正方形薄壁件(正方形板狀件)，其厚度為2mm，兩面均為平面，一個表面為工作端面，需進行拋光處理，另一個表面為非工作面，無需進行特殊處理，但要保證能與工作臺緊密貼合，保證試件能快速傳導熱量。標準拉伸試件為條狀件(其具體形狀可按國標規定或根據試驗機的具體結構而定)，實施例中標準拉伸試件厚度2mm(圖2)，兩面都需要拋光處理。本發明所述的鋁合金試件工作端面指經過拋光打磨后的光滑面。本發明所述的黑漆、黑膠帶對于532nm或1064nm的激光束不透明，當激光束輻照在黑漆、黑膠帶表面時，黑漆、黑膠帶能夠吸收激光能量，產生高溫高壓的等離子體，并防止激光束灼傷鋁合金試件表面。例如3m公司的3m471號膠帶、3m425膠帶，鹿頭42m膠帶，3m公司的4-1000鋁箔膠帶，大橋牌型號600的黑漆。實施例1試件材料：上海屹港實業有限公司生產的2024-t351鋁合金加工成的試件；將常規試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗9min；用0.6mpa的干燥的氮氣吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；在萬級潔凈間中，在試件的工作端面(前端)覆蓋一層厚度為120μm的吸收層黑膠帶；將覆蓋有吸收層的試件安裝在工作臺上，試件的工作端面朝向激光束，并在吸收層上施加一層厚度2mm厚的約束層，約束層選用k9光學透光玻璃；以脈寬為12ns、波長為1064nm、激光能量為3j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行預沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊1遍；再在-130±2℃溫度下，以脈寬為12ns、波長為1064nm、激光能量為6j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行超低溫沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊2遍；之后去除試件工作端面涂覆的吸收層：將試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇水溶液的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗10min，然后利用去離子水沖洗2min后用干燥的氮氣吹干。同樣參數下對標準拉伸試件進行上述操作實施。實施例2試件材料：上海屹港實業有限公司生產的2024-t351鋁合金加工成的試件；將常規試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗9min；用0.6mpa的干燥的氮氣吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；在萬級潔凈間中，在試件的工作端面(前端)覆蓋一層厚度為120μm的吸收層鋁箔；將覆蓋有吸收層的試件安裝在工作臺上，試件的工作端面朝向激光束，并在吸收層上施加一層厚度2.5mm厚的約束層，約束層選用k9光學透光玻璃；以脈寬為17ns、波長為1064nm、激光能量為4j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行預沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊1遍；再在-130±2℃溫度下，以脈寬為17ns、波長為1064nm、激光能量為8j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行超低溫沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊2遍；之后去除試件工作端面涂覆的吸收層：將試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇水溶液的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗10min，然后利用去離子水沖洗2min后用干燥的氮氣吹干。同樣參數下對標準拉伸試件進行上述操作實施。實施例3試件材料：上海屹港實業有限公司生產的2024-t351鋁合金加工成的試件；將常規試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗9min；用0.6mpa的干燥的氮氣吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；在萬級潔凈間中，在試件的工作端面(前端)覆蓋一層厚度為120μm的吸收層黑漆；將覆蓋有吸收層的試件安裝在工作臺上，試件的工作端面朝向激光束，并在吸收層上施加一層厚度3mm厚的約束層，約束層選用k9光學透光玻璃；以脈寬為20ns、波長為532nm、激光能量為5j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行預沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊1遍；再在-130±2℃溫度下，以脈寬為20ns、波長為532nm、激光能量為10j、重復頻率為2hz、光束直徑為2mm的激光束進行超低溫沖擊處理，其中搭接率為20％，沖擊2遍；之后去除試件工作端面涂覆的吸收層：將試件放入裝有溫度20-24℃、濃度75-95％的乙醇水溶液的超聲清洗機中，超聲頻率為40khz，清洗10min，然后利用去離子水沖洗2min后用干燥的氮氣吹干。同樣參數下對標準拉伸試件進行上述操作實施。實施例4將以上實施例1-3處理后的鋁合金試件做顯微硬度試驗和拉伸試驗。顯微硬度試驗：采用fm-300型數字顯微硬度儀測量試件激光沖擊強化部位表面的顯微硬度分布，設定載荷大小為0.2n，保荷時間為10s，每個樣品測5個點，取平均值，環境溫度22±2℃，環境濕度40-60％。拉伸試驗：用wdw-e200萬能試驗機對三組鋁合金標準拉伸試件進行拉伸實驗。每個實例測試5個標準拉伸試件，取平均值，環境溫度22±2℃，環境濕度40-60％。上述實施例1-3鋁合金試件表面顯微硬度、抗拉強度和屈服強度如表2所示。表2激光沖擊前后合金試件顯微硬度及拉伸性能的對比序號顯微硬度(hv)抗拉強度(mpa)屈服強度(mpa)未沖擊處理前138410330實施例1185.3535468實施例2192.4558485實施例3198.5570518實施例5與實施例1不同之處在于：試件材料為7075-t7651和7055鋁合金加工成的試件；經與實施例1同樣的激光沖擊強化處理后，7075-t7651和7055鋁合金試件的顯微硬度提高20-30％，拉伸性能提高20％以上。由上述表2和實施例5的試驗數據中可知，鋁合金試件在采用本發明的激光沖擊強化處理后，顯微硬度得到了明顯提高，拉伸性能也大幅提高。當前第1頁12