基于納秒激光沖擊波效應(yīng)的金屬表面形貌與性能研究.pdf

1、高能納秒脈沖激光在約束模式下產(chǎn)生的高強沖擊波，在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，包括激光沖擊波強化(LSP)、激光沖擊波成形、激光層裂法檢測涂層結(jié)合強度和激光沖擊波植入等。其中，LSP技術(shù)是納秒激光沖擊波最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它使待處理工件表面產(chǎn)生高幅大深度殘余壓應(yīng)力層，從而大幅度提高工件待處理表面的疲勞壽命，由于LSP技術(shù)具有非接觸、可控性強及可局部處理等優(yōu)點，在航空發(fā)動機葉片、整體葉盤的抗疲勞制造方面該技術(shù)體現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢。影響零部件疲勞壽命

2、的主要因素是疲勞破壞部位的表面完整性，主要涉及表面的粗糙度、冷作硬化程度及殘余應(yīng)力狀況，當(dāng)前針對LSP處理后表面完整性的研究以及殘余應(yīng)力場的研究為主，對表面粗糙度的關(guān)注較少;此外，拓展激光沖擊波在其他領(lǐng)域的應(yīng)用同樣有著重要意義。本文利用納秒脈沖激光系統(tǒng)在約束模式下產(chǎn)生的峰值壓力高達數(shù)個GPa的沖擊波，從理論和實驗出發(fā)，開展了激光沖擊波強化鋁合金的表面完整性研究，對LSP處理后金屬表面粗糙度的變化規(guī)律做了系統(tǒng)的研究，并通過模擬和實驗的方法

3、，在光斑尺寸和激光沖擊波壓力脈沖上對LSP工藝參數(shù)進行了優(yōu)化;同時本文拓展了納秒激光沖擊波的應(yīng)用范疇，發(fā)明了兩種基于激光沖擊波效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，即金屬織網(wǎng)掩模激光沖擊波微凹坑制備技術(shù)(NMLSP)以及激光沖擊波微壓印技術(shù)(LSPMI)。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)激光沖擊波強化中不同搭接方式下粗糙度的理論計算
　　研究最常用的兩種搭接方式即等腰直角搭接方式(AAP)和等邊搭接方式(AAA)在不同的搭接率下對粗糙度

4、的影響，通過理論計算推導(dǎo)在這些不同的搭接方式及搭接率下的各粗糙度參數(shù)括Ra、Rq和Rz的值，推導(dǎo)出了優(yōu)化的搭接方式和搭接率。
　　(2)對激光沖擊波強化LY2鋁合金表面完整性展開了全面研究
　　研究LY2鋁合金經(jīng)激光沖擊波強化后在一個光斑范圍內(nèi)的表面完整性，分析強化過程中表面出現(xiàn)的各種缺陷以及形成機理;研究不同的工藝條件下，不同的初始表面狀態(tài)經(jīng)激光沖擊波強化后表面粗糙度、殘余應(yīng)力以及表面硬度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在柔性接觸方式下，

5、無論初始表面粗糙度如何變化，粗糙度存在一個最終值，在剛性接觸方式下，剛性薄膜對粗糙表面具有良好的修整能力;通過對最終表面完整性的分析對激光沖擊波強化中表面質(zhì)量的提高提供了理論依據(jù)和解決方法;進行了壓氣機LY2鋁合金葉片在不同搭接率和搭接方式下的LSP試驗，并進行了面粗糙度和線粗糙度的測量，通過實驗驗證了優(yōu)化的搭接方式和搭接率。
　　(3)激光沖擊波強化金屬中光斑尺寸及不同空間分布的壓力脈沖對殘余應(yīng)力場的影響規(guī)律
　　以純鋁為

6、研究對象，利用ABAQUS軟件仿真及實驗手段研究激光沖擊波強化中光斑尺寸對塑性影響層深度、表層殘余應(yīng)力場分布的影響規(guī)律，指出了Ballard模型預(yù)測的塑性影響層深度的存在一定程度的不足，發(fā)現(xiàn)了塑性影響層深度和激光光斑尺寸之間的關(guān)系;以純鈦為研究對象，利用ABAQUS軟件模擬了不同空間分布的壓力脈沖下殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律，優(yōu)化了激光沖擊過程中空間壓力的分布模式。
　　(4)基于激光沖擊波效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)
　　利用納秒激光的

7、沖擊波效應(yīng)，發(fā)明了金屬織網(wǎng)掩模激光沖擊波微凹坑制備技術(shù)(NMLSP)，該技術(shù)利用金屬編織網(wǎng)將脈沖激光進行分束，在LY2表面獲得了微凹坑陣列，對NMLSP技術(shù)處理的LY2鋁合金的表面完整性進行了表征，發(fā)現(xiàn)雖然分束后的激光束截面是正方形的，獲得的微凹坑卻是圓形的，利用ABAQUS軟件仿真以及實驗手段分析了NMLSP技術(shù)制備微凹坑陣列的機理，發(fā)現(xiàn)采用NMLSP制造微凹坑陣列式存在著沖擊波誘導(dǎo)的表面波相互干涉現(xiàn)象。同時對NMLSP技術(shù)處理的A3