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随着现代航天航空、军事工业的发展,国内外学者希望通过激光冲击成形技术来在航空合金上得到较大的残余压应力,从而提高飞机和航空器件上关键零部件的疲劳寿命和抗应力腐蚀。金属材料对激光的反射率相当高,为了提高对激光的吸收率,激光处理过程中使用的能量吸收涂层材料受到广泛的重视。在激光冲击过程中,能量吸收涂层作为激光吸收物质,其性能质量一直是难以解决的课题,普通涂层的内在质量差,与基体的结合强度低,对激光的吸收率低等缺点都大大限制了涂层材料的使用及发展,因此获得高质量、高性能的能量吸收涂层是涂层制备工艺研究的一个重要课题。针对存在的问题,本文对于涂层材料对激光的吸收机理、激光冲击中涂层的具体作用及其对冲击结果的影响等进行了详细的研究,期望研究、开发适用于高功率下激光冲击工作的吸收涂层,来提高激光冲击、激光热处理过程中的吸收性能和热保护性能。
本课题研究激光冲击波技术中能量吸收涂层技术,在分析研究国内外有关激光冲击成形和强化这一新技术研究的基础上,首次对金属板料的激光冲击中能量吸收涂层技术进行了系统细致研究。针对不同材质的板材采用不同配料的能量吸收涂层进行了对比研究,以提高激光冲击效果为目的,围绕成分、相组成、组织结构控制和工艺优化,设计并研制了优质新型的激光冲击吸收涂层材料;研制出新型能量转换涂层喷涂设备,通过大量实验优化激光冲击处理过程中喷涂的工艺参数;对金属板料进行了精冲凹模成形,给出了激光冲击后涂层对变形量、残余应力等分布的影响,揭示了激光冲击后板料的变形规律,主要工作有以下几点:
1.探讨了激光冲击波加载时能量吸收涂层对激光的吸收机理和激光冲击过程中能量吸收涂层的性能和作用。分析了激光诱导的冲击波产生原因,在此基础上对激光冲击作用机理进行了深入研究,研究了激光冲击波加载时,能量吸收涂层对激光的吸收机理和激光冲击过程中能量吸收涂层的质量及性能,包括能量吸收涂层对增压效果的影响,分析比较适用于各种板料激光冲击成形的能量转换涂层,并进行相应的实验比较。
2.研制出具有自主知识产权的新型激光冲击能量吸收涂料、新型涂层喷涂设备。通过大量实验总结出能量吸收涂层的作用,以提高激光冲击效果为目的,设计研制了优质新型的激光冲击能量转换涂层的配方材料,并研制出新型能量转换涂层喷涂设备,这在国内外激光冲击研究领域尚属首次,也是本课题的关键成果之一。
3.解决了大面积激光冲击强化和成形中多次冲击与连续冲击搭接技术难题。本课题研制的能量吸收涂层具有较大的柔性,能够适应变化的各种曲面形状,并且通过规范严格的涂抹工艺,涂层涂抹厚度均匀可控,在连续激光冲击过程中,冲击区域激光能量被吸收涂层均匀完全吸收,使板料产生均匀变形,避免了在连续冲击过程中某些区域由于涂层的不均匀产生变形不均匀现象,解决了以往在板料的多次冲击成形中,在前后冲击的搭接区出现“凸峰”,影响板料成形的轮廓形状和表面光整度的技术难题。
4.探讨了能量吸收涂层对激光冲击材料表面残余应力和形貌特征的影响。通过激光冲击波加载下板料成形的实验研究,考察激光参数、涂层参数、材料性能、边界条件、冲击次数等与SUS304和Ti6-A14-V板料变形特性之间的相互关系;通过实验证明本课题自主研制的硅酸乙脂涂层能很好的应用于激光连续冲击研究。并对激光连续冲击的搭接区进行了分析,在建立激光加工参数和材料变形特性数据库的基础上,优化涂层工艺参数,控制板料激光冲击成形中的尺寸和形状精度。