基于激光冲击强化的抑制结构件中的裂纹萌生与扩展方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属结构件修复技术，具体的说是一种基于激光冲击强化的抑制 结构件中的裂纹萌生与扩展方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业的发展，要求零部件在高温、高压、高速、交变应力载荷以及酸性腐 蚀介质或沙尘环境下持续地工作，因此对机械产品结构件的表面性能要求越来越高。通过 改善材料的表面性能或者对已经磨损乃至局部损坏的零部件及时修复，有效地延长结构件 的使用寿命，越来越受到科研人员的青睐。当今在修复金属结构件的裂纹、划痕或缺口时， 根据愈合方式主要分为两种形式：物质补给和能量补给，从已研究的普通金属材料的裂纹 来看，物质补给和能量补给的使用量相差无几，物质补给也就是常说的熔敷，在缺口裂纹处 增加与金属基体材料成份接近的熔覆层，但这种方法在添加熔覆层之前和熔覆层之后都要 进行机加工，且很难一次性完成，相对比较耗时，熔敷层的金相组织也很难与基材保持一 致。外部能量补给目前主要有热处理、施加电流脉冲、微波供热及激光加热等等，也就是使 得裂纹缺口处熔化，使得裂纹逐渐愈合，但这种方法因为引入热作用，同样改变了结构件熔 化区的金相组织性能，甚至可能使得结构件表面产生一层氧化皮。因而，目前常用的金属结 构件修复方法均存在一些缺点，对结构件的疲劳寿命不能很好的保证，需开发一种满足要 求的新型的修复技术。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中常用的金属结构件修复方法对结构件的疲劳寿命不能很好的保 证这一不足，本发明要解决的技术问题是提供一种
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0005] 本发明一种基于激光冲击强化的抑制结构件中的裂纹萌生与扩展方法，包括以下 步骤：
[0006] 对有损伤点的结构件进行前处理；
[0007] 对结构件损伤点强化表面覆盖吸收层；
[0008] 对覆盖吸收层后的结构件施加约束层；
[0009] 对结构件进行预冲击强化处理；
[0010] 对结构件进行冲击强化处理；
[0011] 对强化处理后的结构件进行后处理。
[0012] 对有损伤点的结构件进行前处理为：
[0013] 将结构件放入装有水温为22±2°C去离子水的超声清洗机中，超声频率为 38-47kHz，清洗15-20min;再用0. 4-0. 8MPa的干燥氮气吹干，然后放入70°C的干燥箱中干 燥 20min〇
[0014] 对结构件损伤点强化表面覆盖吸收层为：
[0015] 在洁净间中，在结构件损伤点周围覆盖一层厚度为100-200μπι的黑胶带作为吸 收层。
[0016] 对覆盖吸收层后的结构件施加约束层为：
[0017] 覆盖有黑胶带的结构件安装在工作台上，在黑胶带上施加一层厚度为l-2mm的水 作为约束层。
[0018] 对结构件进行预冲击强化处理为：将损伤点所在结构件表面朝向激光束，以脉 宽为8-20ns、波长为532~1064nm、激光能量为5-10J、重复频率为l-2Hz、光束直径为 0. 5-3mm的激光束进行预冲击延寿处理，其中搭接率为0-50%，冲击1-2遍。
[0019] 对结构件进行冲击强化处理为：预冲击强化处理后，以脉宽为8_20ns、波长为 535~1064nm、激光能量为7-15J、重复频率为l-2Hz、光束直径为0. 5-3mm的激光束进行冲 击延寿处理，其中搭接率为0-50%，冲击2-5遍。
[0020] 所述损伤点为结构件豁口、蚀坑、烧伤或划伤位置。
[0021] 对损伤点进行分区，包括第一强化区和第二强化区，其中第一强化区在损伤点的 周边，距损伤点小于8mm距离的范围内；第二强化在第一强化区的外围，距所述损伤点小于 18mm距离的范围内。
[0022] 第一强化区和第二强化区的预冲击强化处理参数和冲击强化处理参数不同，第二 强化区的强化所用的激光能量比第一强化区强化所用的能量至少大20% -40%;第二强化 区强化所用的搭接率比第一强化区强化所用的搭接率至少大15% -25%。
[0023] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0024] 1.应用本发明方法可以减少金属结构件上的划痕、缺口裂纹的形成以及抑制减 缓裂纹的扩展，有效防止结构件损伤点处的微裂纹萌生，且不改变损伤区域的金相组织、形 貌，也无需进行机加工，因而，该方法以特别经济、快速的方式实现结构件修复延寿。
[0025] 2.本发明方法可提高结构件的使用寿命30%以上，使得具有损伤点的试件在激 光冲击后，其疲劳寿命与未经激光冲击强化的无损伤点的试件相当，甚至高于未经激光冲 击强化的无损伤点的试件。
【附图说明】
[0026]图1为本发明基于激光冲击强化的抑制结构件中的裂纹萌生与扩展方法工艺流 程图；
[0027] 图2A为本发明方法中损伤点周围强化区域示意图；
[0028] 图2B为图2A的仰视图；
[0029] 图3A为本发明实施例的结构件示意图；
[0030] 图3B为图3A的右视图。
[0031] 其中，1为结构件，2为损伤点，3为第一强化区，4为第二强化区。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
[0033] 为抑制结构件损伤点部位裂纹的萌生和扩展，本发明提出了一种基于激光冲击强 化的抑制裂纹萌生与扩展的方法。激光冲击强化技术是利用短脉冲的高能量密度的激光辐 照金属表面，金属表面的吸收层（黑漆、铝箱、黑胶带等）吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽 化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温、高压的等离子体，等离子体受到约束层（水、光 学玻璃等）的约束，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向金属内部传播，由于这种 冲击波压力高达数个GPa，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面发生强烈 的塑性变形，引入残余压应力，进而抑制裂纹的萌生与扩展。基于激光冲击强化的抑制裂纹 萌生与扩展的技术，操作工艺简单、是一种性价比高、高效、绿色的延寿技术。
[0034]如图1所示，本发明基于激光冲击强化的抑制结构件中的裂纹萌生与扩展方法包 括以下步骤：
[0035] 对有损伤点的结构件进行前处理；
[0036] 对结构件损伤点强化表面覆盖吸收层；
[0037] 对覆盖吸收层后的结构件施加约束层；
[0038] 对结构件进行预冲击强化处理；
[0039] 对结构件进行冲击强化处理；
[0040] 对强化处理后的结构件进行后处理。
[0041] 1)对有损伤点的结构件进行前处理：在结构件表面覆盖吸收层之前，结构件表面 需要预先处理：将结构件放入装有水温为22±2°C去离子水的超声清洗机中，超声频率为 38-47kHz，清洗15-20min;再用0. 4-0. 8MPa的干燥氮气吹干，然后放入70°C的干燥箱中干 燥 20min〇
[0042] 2)对结构件损伤点强化表面覆盖吸收层：在洁净间中，在结构件损伤点周围覆盖 一层厚度为100-200μm的黑胶带作为吸收层；
[0043] 3)对覆盖吸收层后的结构件施加约束层：将覆盖有黑胶带的结构件安装在工作 台上，在黑胶带上施加一层厚度为l-2mm的水作为约束层；
[0044] 4)对结构件进行预冲击强化处理：预冲击强化处理后，以脉宽为8_20ns、波长为 1064nm、激光能量为7-15J、重复频率为l-2Hz、光束直径为0. 5-3mm的激光束进行冲击延寿 处理，其中搭接率为0-50%，冲击2-5遍；
[0045] 5)对强化处理后的结构件进行后处理：在结构件激光冲击强化处理后，需对工件 表面进行清洗：去除结构件表面涂覆的吸收层，将经冲击强化处理后的结构件放入装有温 度为22 ± 2 °C、酒精浓度为75-95 %的超声清洗机中，超声频率为38-47kHz，清洗15-20min， 然后利用去离子水冲洗l_2min后，用干燥的氮气吹干。
[0046] 步骤1)中，结构件上损伤点为豁口、蚀坑、烧伤或划伤位置；结构件表面预处理中 清洗的目的是为保证工件上不残留有机物质和其他颗粒物质；干燥的目的是为后续吸收层 的粘贴或涂覆做准备，提高吸收层与结构件表面的结合力。
[0047] 步骤2)中，粘贴或涂覆的吸收层的厚度要求均匀，吸收层与结构件表面之间无气 泡。
[0048] 步骤3)中，施加水作为约束层，要求去离子水层的厚度均匀，无波浪和飞溅。
[0049] 如图2A、2B示，强化区为损伤点的四周，强化区分为第一强化区和第二强化区，其 中第一强化区为损伤点周边，第二强化在第一强化区的外围，其中第一强化区在损伤点的 周边，距损伤点小于8mm距离的范围内；第二强化在第一强化区的外围，距所述损伤点小于 18mm距离的范围内。
[0050] 步骤4)和步骤5)中，第一强化区和第二强化区的预冲击强化处理参数和冲击 强化处理参数不同，第二强化区强化所用的激光能量比第一强化区强化所用的能量至少 大20% -40% ;第二强化区的强化所用的搭接率比第一强化区强化所用的搭接率至少大 15% -25%〇
[0051] 本发明预冲击强化处理以及冲击强化处理的较优条件为：
[0052] 在钛合金结构件的表面覆盖一层120μm后的黑胶带，然后在黑胶带表面施加一 层2mm后的去离子水约束层；
[0053]