一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法及其应用与流程

1.本发明属于激光冲击效应控制技术领域，具体涉及一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法及其应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.脉冲激光可导致材料表面发生等离子体爆炸，从而形成gpa量级的冲击压力。以此为物理基础，研究人员发展了先进的激光冲击强化技术。然而，激光冲击过程中，靶材表面往往会发生一种“残余应力洞”现象，即激光光束的几何中心位置具有较小的残余压应力分布，甚至出现残余拉应力。“残余应力洞”的形成导致材料表面残余应力分布的不均匀，会对其服役性能产生不利影响。最大程度弱化“残余应力洞”效应成为研究人员需要解决的技术难题。
4.技术人员目前提出一种利用液体约束激光冲击过程中的空化效应来抑制或消除“残余应力洞”的新技术(cn 202010014492.5)，该技术挖掘液体约束条件下的激光冲击过程中的“等离子体冲击”以及“空化”两种物理效应，通过所述两种物理效应的发生强度的分配来实现材料表面的均匀强化或改性。如何精准分配和调节“等离子体冲击”以及“空化”两种效应在单次激光冲击过程中的作用强度是本领域技术人员将该技术真正应用于实际生产的技术关键。
5.技术人员通过大量实验，可得出多种液体约束层特征变化与其对应的“残余应力洞”发生程度的联系，进而得到液体约束层特征与激光冲击中双物理效应分配比例的数据库。然而发明人发现，该方法耗费大量人力、物力和财力，在非大批量生产或受制于经济条件的情况下，需探寻更简便易行的激光冲击双物理效应控制方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法及其应用。本发明给出适用于液体约束条件的单批量激光冲击均匀强化处理的吸收层厚度参数设定的方法，可在无需进行大量测试实验进行数据库积累的条件下，实现液体约束激光冲击过程中的“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用强度的定量调控，因此具有良好的实际应用之价值。
7.具体的，本发明涉及以下技术方案：
8.本发明的第一个方面，提供一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法，所述方法包括对液体约束条件下激光冲击过程中的液体约束层特征的变化对“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用规律进行实时监测，并将作用规律及时反
馈到激光冲击工艺参数的调整工序，从而满足激光冲击过程中的双物理效应的定量调节需求。
9.其中，所述液体约束层特征包括但不限于液体约束层厚度、材质、粘度等。为方便描述本发明技术方案，以下采用约束层厚度来表征液体约束层特征，但显而易见的是，液体约束层特征的其他方面，例如材质、粘度等参数条件，同样也可按照本发明的所述原理和方法进行等离子体冲击效应与空化效应的定量控制，因此同样在本发明的保护范围之内。
10.本发明的第二个方面，提供上述控制方法在材料表面强化处理中的应用；
11.所述材料表面强化处理具体为均匀激光冲击强化处理技术。
12.以上一个或多个技术方案的有益技术效果：
13.上述技术方案给出适用于液体约束条件的单批量激光冲击均匀强化处理的吸收层厚度参数设定的方法，可在无需进行大量测试实验进行数据库积累的条件下，实现液体约束激光冲击过程中的“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用强度的定量调控，从而有效节约人力、物力和财力、简便易行，非常适合在非大批量生产或受制于经济条件的情况下的研究，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
14.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
15.图1为本发明基于约束层厚度调整的激光冲击“空化”效应控制方法流程图。
具体实施方式
16.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
17.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
18.结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径购买得到。
19.如前所述，技术人员通过大量实验，可得出多种液体约束层特征变化与其对应的“残余应力洞”发生程度的联系，进而得到液体约束层特征与激光冲击中双物理效应分配比例的数据库。但该方法耗费大量人力、物力和财力，在非大批量生产或受制于经济条件的情况下，需探寻更简便易行的激光冲击双物理效应控制方法。
20.有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法，所述方法包括对液体约束条件下激光冲击过程中的液体约束层特征的变化对“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用规律进行实时监测，并
将作用规律及时反馈到激光冲击工艺参数的调整工序，从而满足激光冲击过程中的双物理效应的定量调节需求。
21.在特定工艺条件的液体约束激光冲击过程中，等离子体冲击效应与空化效应两种效应在形成机制以及形成时间和冲击效果等方面均不同：等离子体冲击效应由脉冲激光导致吸收层材料的瞬时烧蚀产生的高温高压等离子体导致，空化效应由脉冲激光导致液体约束层材料的空化泡脉动导致；等离子体冲击效应的形成时间和作用时间在纳秒量级，空化效应的形成时间和作用时间在微秒量级；等离子体冲击效应形成的冲击载荷在gpa量级，空化效应形成的冲击载荷在mpa量级。
22.在液体约束的激光冲击过程中，纳秒阶段的等离子体冲击效应导致材料表面发生明显塑性变形，在导致单光斑辐照区域形成残余压应力分布的同时，以“残余应力洞”为主要表现形式的残余应力分布不均现象也不同程度出现；在恰当的工艺条件下，激光冲击处理的约束层中发生空化效应，并以作用时间在微秒量级的mpa量级冲击压力对材料表面产生力学影响，使得材料表面的所述残余应力分布不均的程度发生变化。
23.本发明的又一具体实施方式中，所述液体约束层特征包括但不限于液体约束层厚度、材质、粘度等。为方便描述本发明技术方案，以下采用约束层厚度来表征液体约束层特征，但显而易见的是，液体约束层特征的其他方面，例如材质、粘度等参数条件，同样也可按照本发明的所述原理和方法进行等离子体冲击效应与空化效应的定量控制，因此同样在本发明的保护范围之内。
24.本发明的又一具体实施方式中，提供一种基于约束层厚度调整的激光冲击“空化”效应控制方法，所述方法包括：
25.s1、随机确定两个约束层厚度的常规数值，观测两个不同液体约束层厚度激光冲击过程中的空化泡体积变化；
26.所述步骤s1中，观测手段可采用高速摄像技术或其他可观测激光冲击中空化效应效果的现有技术，具体由技术人员根据现有科学技术及装备发展条件而决定。
27.需要说明的是，本步骤是通过空化泡的体积变化来表征空化效应的作用强度，并认为空化泡体积变化最大时的空化效应作用强度也最大。而且本步骤也并不限制本领域技术人员采用其他已知物理原则来判断激光冲击过程中空化效应的作用强度。
28.s2、寻找出空化泡体积变化相对较大的工艺，该工艺对应的约束层厚度若是两个约束层厚度中较大者，则进入步骤s3，反之则进入步骤s4；
29.s3、继续增大较大约束层厚度并进行激光冲击处理，直至观测到约束层厚度增大某数值后的空化泡体积变化开始下降，确定该约束层厚度数值为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；若可执行，则进入步骤s6；若无法执行该步骤，则进入步骤s5；
30.该步骤要求采用高速摄像等手段对不同约束层厚度条件下的激光冲击过程中的空化泡的体积进行观察，并对比分析不同约束层厚度条件对空化泡形成强度的影响规律，最终确定空化泡体积变化最大时的液体约束层的厚度。
31.s4、继续减小较小约束层厚度并进行激光冲击处理，直至观测到约束层厚度减小某数值后的空化泡体积变化开始下降，确定该约束层厚度数值为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；若可执行，则进入步骤s6；若无法执行本步骤，则进入步骤s5；
32.s5、若步骤s3和步骤s4均未得到空化泡体积变化最大时的约束层厚度，则所述
“
h
空化(max)”处于步骤1所选择的两个约束层厚度之间，可在所述两个约束层厚度中间变化参数，直至确定所述的空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”。
33.实际上，步骤s3～步骤s5均是利用高速摄像手段，检测液体约束条件激光冲击过程中空化泡体积变化，并确定空化泡体积变化最大时所采用的约束层厚度“h
空化(max)”的过程。
34.s6、利用所确定的空化效应最强时的液体约束层厚度“h
空化(max)”对待加工材料进行激光冲击处理，并测试单光斑辐照区域的表面残余应力分布状态；
35.该步骤要求技术人员采用步骤s1确定的液体约束层厚度对待加工材料进行激光冲击处理，并测定单光束辐照区域的材料的表面残余应力分布规律。
36.显而易见的，本领域技术人员可采用包括但不限于x射线衍射的方法来进行残余应力的测试与表征。
37.s7、表征步骤s6所获得残余应力分布状态，若不存在残余应力分布不均匀现象或存在的残余应力分布不均匀现象为“残余应力洞”，则确定均匀激光冲击表面加工的约束层厚度应为“h
空化(max)”，并进入步骤s9；若存在残余应力分布不均匀现象，且为“反
‘
残余应力洞
’”
，则进入步骤s8；
38.该步骤要求技术人员判断材料表面单光斑辐照区域的残余应力分布的均匀性，具体原则是通过光束中心与周边区域的残余应力的差值来表征“残余应力洞”的有无或发生程度。
39.该步骤要求技术人员判断残余应力分布不均匀的具体表现形式，若光束中心的残余压应力水平较周边区域低，则所述残余应力分布不均匀形式为“残余应力洞”；若光束中心的残余压应力水平较周边区域高，则所述残余应力分布不均匀形式为“反
‘
残余应力洞
’”
。
40.s8.根据加工的便捷性，选择减小或增大约束层厚度，并利用变化的约束层厚度对待加工材料进行激光冲击处理，直至选择的约束层厚度“h
空化(弱)”激光冲击后的材料表面不出现“反
‘
残余应力洞
’”
；
41.该步骤要求技术人员根据实际加工条件判断约束层厚度的变化趋势，若约束层厚度的减小较易实现，则技术人员需选择逐步减小的约束层厚度进行激光冲击处理，直至消除“反
‘
残余应力洞
’”
。
42.需要说明的是，在加工条件的允许范围内，若技术人员减小(增大)约束层厚度，却无法得到“反
‘
残余应力洞
’”
得以消除的状态，则需改变约束层厚度的变化方向，即通过增大(减小)约束层厚度来寻找“反
‘
残余应力洞
’”
得以消除的结果。
43.需要说明的是，若在减小或增大约束层厚度均无法消除残余应力分布不均匀现象时，技术人员可选择残余应力分布不均匀程度最低的约束层厚度为最终的均匀激光冲击加工的约束层厚度条件。
44.s9、基于目前确定的液体约束层厚度，实现双物理效应合理控制状态下的均匀激光冲击表面加工。
45.本发明的又一具体实施方式中，提供上述控制方法在材料表面强化处理中的应用；
46.所述材料表面强化处理具体为均匀激光冲击强化处理技术。
47.以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
48.实施例1：以某不锈钢材料的单光斑区域均匀激光冲击表面改性处理为例，要求采用的液体约束层为去离子水。
49.利用激光能量4j、激光波长1064nm、激光脉宽16ns、激光直径1mm的激光光束对待加工材料进行去离子水为约束层材料的激光冲击处理。
50.确定两个约束层厚度为1.8mm和2.4mm，利用高速摄像观测两个不同液体约束层厚度激光冲击过程中的空化泡体积变化发现，约束层厚度为2.4mm时的空化泡体积变化较大；
51.在2.4mm基础上，继续增大约束层厚度并进行激光冲击处理，直至在约束层厚度为3mm时，采用高速摄像设备观测到空化泡体积变化开始下降，确定约束层厚度数值3mm为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；
52.利用所确定的空化效应最强时的液体约束层厚度3mm对待加工材料进行激光冲击处理，并测试单光斑辐照区域的表面残余应力分布状态，得到结果存在“反
‘
残余应力洞
’”
形式的残余应力分布不均匀现象；
53.在3mm基础上，减小约束层厚度至“h
空化(弱)”为2.6mm时，激光冲击后的材料表面不出现“反
‘
残余应力洞
’”
，则确定均匀激光冲击表面加工的约束层厚度应为2.6mm；
54.采用确定的2.6mm约束层厚度，实现双物理效应合理控制状态下的均匀激光冲击表面加工。
55.实施例2：以某不锈钢材料的单光斑区域均匀激光冲击表面改性处理为例，要求采用的液体约束层为去离子水。
56.利用激光能量4j、激光波长1064nm、激光脉宽8ns、激光直径1.2mm的激光光束对待加工材料进行去离子水为约束层材料的激光冲击处理。
57.确定两个约束层厚度为1.8mm和3mm，利用高速摄像观测两个不同液体约束层厚度激光冲击过程中的空化泡体积变化发现，约束层厚度为3mm时的空化泡体积变化较大；
58.在3mm基础上，继续增大约束层厚度并进行激光冲击处理，采用高速摄像设备观测到空化泡体积变化持续下降，因此确定空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”应在1.8mm与3mm之间；
59.在3mm基础上，减小约束层厚度至2.8mm之前时，空化泡体积变化持续增大，但在2.8mm基础上进一步减小约束层厚度时，空化泡体积变化开始下降，因此确定约束层厚度数值2.8mm为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；
60.利用所确定的空化效应最强时的液体约束层厚度2.8mm对待加工材料进行激光冲击处理，并测试单光斑辐照区域的表面残余应力分布状态，得到结果不存在“残余应力洞”等残余应力分布不均匀现象，则确定均匀激光冲击表面加工的约束层厚度应为2.8mm；
61.采用确定的2.8mm约束层厚度，实现双物理效应合理控制状态下的均匀激光冲击表面加工。
62.实施例3：以某高温合金材料的单光斑区域均匀激光冲击表面改性处理为例，要求采用的液体约束层为去离子水。
63.利用激光能量4j、激光波长1064nm、激光脉宽16ns、激光直径1mm的激光光束对待加工材料进行去离子水为约束层材料的激光冲击处理。
64.确定两个约束层厚度为1.8mm和2.4mm，利用高速摄像观测两个不同液体约束层厚度激光冲击过程中的空化泡体积变化发现，约束层厚度为2.4mm时的空化泡体积变化较大；
65.在2.4mm基础上，继续增大约束层厚度并进行激光冲击处理，直至在约束层厚度为3mm时，采用高速摄像设备观测到空化泡体积变化开始下降，确定约束层厚度数值3mm为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；
66.利用所确定的空化效应最强时的液体约束层厚度3mm对待加工材料进行激光冲击处理，并测试单光斑辐照区域的表面残余应力分布状态，得到结果存在“残余应力洞”形式的残余应力分布不均匀现象；
67.确定均匀激光冲击表面加工的约束层厚度应为3mm；
68.采用确定的3mm约束层厚度，实现双物理效应合理控制状态下的均匀激光冲击表面加工。
69.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法，其特征在于，所述方法包括对液体约束条件下激光冲击过程中的液体约束层特征的变化对“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用规律进行实时监测，并将作用规律及时反馈到激光冲击工艺参数的调整工序，从而满足激光冲击过程中的双物理效应的定量调节需求。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体约束层特征包括液体约束层厚度、材质和粘度。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述液体约束层特征为液体约束层厚度时，所述方法包括：s1、随机确定两个约束层厚度的常规数值，观测两个不同液体约束层厚度激光冲击过程中的空化泡体积变化；s2、寻找出空化泡体积变化相对较大的工艺，该工艺对应的约束层厚度若是两个约束层厚度中较大者，则进入步骤s3，反之则进入步骤s4；s3、继续增大较大约束层厚度并进行激光冲击处理，直至观测到约束层厚度增大某数值后的空化泡体积变化开始下降，确定该约束层厚度数值为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；若可执行，则进入步骤s6；若无法执行该步骤，则进入步骤s5；s4、继续减小较小约束层厚度并进行激光冲击处理，直至观测到约束层厚度减小某数值后的空化泡体积变化开始下降，确定该约束层厚度数值为空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；若可执行，则进入步骤s6；若无法执行本步骤，则进入步骤s5；s5、若步骤s3和步骤s4均未得到空化泡体积变化最大时的约束层厚度，则所述“h
空化(max)”处于步骤1所选择的两个约束层厚度之间，可在所述两个约束层厚度中间变化参数，直至确定所述的空化泡体积变化最大时的约束层厚度的数值“h
空化(max)”；s6、利用所确定的空化效应最强时的液体约束层厚度“h
空化(max)”对待加工材料进行激光冲击处理，并测试单光斑辐照区域的表面残余应力分布状态；s7、表征步骤s6所获得残余应力分布状态，若不存在残余应力分布不均匀现象或存在的残余应力分布不均匀现象为“残余应力洞”，则确定均匀激光冲击表面加工的约束层厚度应为“h
空化(max)”，并进入步骤s9；若存在残余应力分布不均匀现象，且为“反
‘
残余应力洞
’”
，则进入步骤s8；s8.根据加工的便捷性，选择减小或增大约束层厚度，并利用变化的约束层厚度对待加工材料进行激光冲击处理，直至选择的约束层厚度“h
空化(弱)”激光冲击后的材料表面不出现“反
‘
残余应力洞
’”
；s9、基于目前确定的液体约束层厚度，实现双物理效应合理控制状态下的均匀激光冲击表面加工。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，观测手段采用高速摄像技术或其他可观测激光冲击中空化效应效果的现有技术。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s6中，采用包括x射线衍射的方法来进行残余应力的测试与表征。6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s7中，判断材料表面单光斑辐照区域的残余应力分布的均匀性是通过光束中心与周边区域的残余应力的差值来表征“残余应力洞”的有无或发生程度实现的；
具体的，若光束中心的残余压应力水平较周边区域低，则所述残余应力分布不均匀形式为“残余应力洞”；若光束中心的残余压应力水平较周边区域高，则所述残余应力分布不均匀形式为“反
‘
残余应力洞
’”
。7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s8中，该步骤要求根据实际加工条件判断约束层厚度的变化趋势，若约束层厚度的减小易实现，则选择逐步减小的约束层厚度进行激光冲击处理，直至消除“反
‘
残余应力洞
’”
。8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s8中，在加工条件的允许范围内，若减小(增大)约束层厚度，无法得到“反
‘
残余应力洞
’”
得以消除的状态，则需改变约束层厚度的变化方向，即通过增大(减小)约束层厚度来寻找“反
‘
残余应力洞
’”
得以消除的结果。9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s8中，若在减小或增大约束层厚度均无法消除残余应力分布不均匀现象时，则确定残余应力分布不均匀程度最低的约束层厚度为最终的均匀激光冲击加工的约束层厚度条件。10.权利要求1
‑
9任一项所述控制方法在材料表面强化处理中的应用；优选的，所述材料表面强化处理为均匀激光冲击强化处理。
技术总结
本发明提供一种基于液体约束层特征调整的激光冲击“空化”效应控制方法及其应用，属于激光冲击效应控制技术领域。本发明给出适用于液体约束条件的单批量激光冲击均匀强化处理的吸收层厚度参数设定的方法，可在无需进行大量测试实验进行数据库积累的条件下，实现液体约束激光冲击过程中的“等离子体体冲击”与“空化”两种物理效应的作用强度的定量调控，从而有效节约人力、物力和财力、简便易行，非常适合在非大批量生产或受制于经济条件的情况下的研究，因此具有良好的实际应用之价值。因此具有良好的实际应用之价值。因此具有良好的实际应用之价值。


技术研发人员：卢国鑫 王佃刚 宿庆财 高荣 季忠 杉冈幸次
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2021.02.24
技术公布日：2021/6/29