專利名稱：脆性材料激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening, LSP)是一種近年來(lái)迅速發(fā)展的主要針對(duì)金屬材料的新型有效表面改性的方法。它利用短脈沖高功率密度的激光與金屬材料表面相互作用誘導(dǎo)的高幅值沖擊波，對(duì)材料沖擊表面附近區(qū)域進(jìn)行加工硬化，是金屬材料表面發(fā)生塑性變形并在沖擊區(qū)域附近形成高幅值的殘余壓應(yīng)力，來(lái)提高材料的疲勞壽命、耐磨損和抗腐蝕等機(jī)械性能。
LSP處理可以大幅提高金屬材料的機(jī)械性能。如果激光誘導(dǎo)的壓力同樣能夠使脆性材料發(fā)生塑性變形并在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，則被處理的材料同樣能夠有效地抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高脆性材料的機(jī)械性能。通常，脆性在LSP誘導(dǎo)的壓力作用下，由于位錯(cuò)活性比較小，難以發(fā)生塑性變形。但是脆性材料的位錯(cuò)活性是與應(yīng)力狀態(tài)和溫度有關(guān)的。隨著應(yīng)力和溫度的增加，位錯(cuò)活性會(huì)急劇上升。因此脆性材料是否可以采用LSP進(jìn)行表面強(qiáng)化呢？為了對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，首先需要建立針對(duì)脆性材料的LSP實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前還沒(méi)有這方面的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種脆性材料激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置，能夠針對(duì)脆性材料的激光沖擊強(qiáng)化提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為脆性材料的LSP過(guò)程提供實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)也為不同溫度下材料(包括脆性材料和金屬材料)的LSP機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本發(fā)明的一種脆性材料激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置包括箱體，具有預(yù)定大小的容積；溫度控制單元，用于將所述箱體內(nèi)的溫度加熱并控制在預(yù)定的范圍；夾持單元，用于夾持待測(cè)脆性材料；墊底層，用于支撐所述待測(cè)脆性材料；吸收層，設(shè)置在所述待測(cè)脆性材料之上，用于吸收激光能量后發(fā)生熔化、氣化以及電離，形成高溫高壓等離子體；約束層，設(shè)置在所述吸收層之上，用于約束住所述等離子體的快速膨脹；溫度測(cè)試單元，用于測(cè)量所述待測(cè)脆性材料在接受激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中的溫度變化；激光沖擊強(qiáng)化加載單元，用于透過(guò)所述約束層對(duì)所述吸收層施加預(yù)定能量和脈寬的激光；PDV測(cè)量單元，用于測(cè)量所述待測(cè)脆性材料在受到激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。優(yōu)選地，所述墊底層的材料為熔融石英玻璃。
優(yōu)選地，所述吸收層的材料為銅膜，其面積超過(guò)激光作用靶體面積。優(yōu)選地，所述約束層的材料為水或者玻璃。優(yōu)選地，所述溫度測(cè)試單元包括設(shè)置在所述約束層表面的第一熱電偶和設(shè)置在所述墊底層上的第二熱電偶。本發(fā)明能夠在預(yù)定的高溫環(huán)境內(nèi)對(duì)脆性材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)脆性材料LSP過(guò)程中的工藝參數(shù)、靶體溫度以及動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，為脆性材料LSP機(jī)理的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明包括箱體I、溫度控制單元7、夾持單元2、墊底層4、吸收層5、約束層6、溫度測(cè)試單元8、激光沖擊強(qiáng)化加載單元9和PDV測(cè)量單元。箱體I具有預(yù)定大小的容積，用于放置待測(cè)脆性材料3。溫度控制單元7用于將箱體I內(nèi)的溫度加熱并控制在預(yù)定的范圍，目的是為了在高溫環(huán)境下使脆性材料3產(chǎn)生一定的塑形變形，以便于對(duì)脆性材料3施加沖擊強(qiáng)化激光，而不至于將脆性材料3擊碎。夾持單元2用于夾持待測(cè)脆性材料3，墊底層4用于支撐待測(cè)脆性材料3，吸收層5設(shè)置在待測(cè)脆性材料3之上，用于吸收激光能量后發(fā)生熔化、氣化以及電離，形成高溫高壓等離子體。約束層6設(shè)置在吸收層5之上，用于約束住等離子體的快速膨脹。溫度測(cè)試單元8用于測(cè)量待測(cè)脆性材料3在接受激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中的溫度變化。在本發(fā)明實(shí)施例中，溫度測(cè)試單元8包括設(shè)置在約束層6表面的第一熱電偶81和設(shè)置在墊底層4上的第二熱電偶82。這樣，就可以測(cè)出約束層6表面的溫度T1和墊底層4的溫度T2，從而可以通過(guò)各層材料的厚度估算出待測(cè)脆性材料3的溫度T。激光沖擊強(qiáng)化加載單元9用于透過(guò)約束層6對(duì)吸收層5施加預(yù)定能量和脈寬的激光；PDV測(cè)量單元10用于測(cè)量待測(cè)脆性材料3在受到激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中，在本發(fā)明實(shí)施例中，上述墊底層4的材料為熔融石英玻璃，上述吸收層5的材料為銅膜，其面積超過(guò)激光作用靶體面積，約束層6的材料為水或者玻璃。在LSP過(guò)程中，約束層6、吸收層5以及待測(cè)脆性材料3被夾持單元2緊密夾持。激光經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化加載單元9的光路系統(tǒng)聚焦后透過(guò)約束層6材料輻照待測(cè)脆性材料
3表面的吸收層3，誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體壓力對(duì)待測(cè)脆性材料3進(jìn)行處理。本發(fā)明能夠在預(yù)定的高溫環(huán)境內(nèi)對(duì)脆性材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)脆性材料LSP過(guò)程中的工藝參數(shù)、靶體溫度以及動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，為脆性材料LSP機(jī)理的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種脆性材料激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括箱體，具有預(yù)定大小的容積； 溫度控制單元，用于將所述箱體內(nèi)的溫度加熱并控制在預(yù)定的范圍； 夾持單元，用于夾持待測(cè)脆性材料； 墊底層，用于支撐所述待測(cè)脆性材料； 吸收層，設(shè)置在所述待測(cè)脆性材料之上，用于吸收激光能量后發(fā)生熔化、氣化以及電離，形成高溫高壓等離子體； 約束層，設(shè)置在所述吸收層之上，用于約束住所述等離子體的快速膨脹； 溫度測(cè)試單元，用于測(cè)量所述待測(cè)脆性材料在接受激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中的溫度變化； 激光沖擊強(qiáng)化加載單元，用于透過(guò)所述約束層對(duì)所述吸收層施加預(yù)定能量和脈寬的激光; PDV測(cè)量單元，用于測(cè)量所述待測(cè)脆性材料在受到激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述墊底層的材料為熔融石英玻璃。
3.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述吸收層的材料為銅膜，其面積超過(guò)激光作用靶體面積。
4.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述約束層的材料為水或者玻璃。
5.如權(quán)利要求I所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述溫度測(cè)試單元包括設(shè)置在所述約束層表面的第一熱電偶和設(shè)置在所述墊底層上的第二熱電偶。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脆性材料激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置，包括箱體、溫度控制單元、夾持單元、墊底層、吸收層、約束層、溫度測(cè)試單元、激光沖擊強(qiáng)化加載單元和PDV測(cè)量單元。本發(fā)明能夠在預(yù)定的高溫環(huán)境內(nèi)對(duì)脆性材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)脆性材料LSP過(guò)程中的工藝參數(shù)、靶體溫度以及動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，為脆性材料LSP機(jī)理的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C21D10/00GK102747215SQ201210227560
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者吳先前, 宋宏偉, 王曦, 魏延鵬, 黃晨光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所