專利名稱：以磁電場提高激光等離子體沖擊波壓力方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)和激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種以強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peening/processing,簡稱LSP)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，它利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、耐磨損和抗應(yīng)力腐蝕等性能。 在激光沖擊強(qiáng)化中，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體沖擊波壓力是材料強(qiáng)化的關(guān)鍵，工程中常采用水約束層約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力，但在一些復(fù)雜構(gòu)件中，水約束層流速、均勻性和厚度等參數(shù)很難保證，將直接影響強(qiáng)化質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種利用強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法，克服激光沖擊強(qiáng)化中復(fù)雜構(gòu)件施加水約束層的困難，提升沖擊波壓力，確保強(qiáng)化效果。技術(shù)方案—種利用強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法，其特征在于步驟如下步驟1:將被加工的工件置于電場和磁場中，工件表面的吸收保護(hù)層面對電場的陽極，磁場施加在工件兩側(cè)；步驟2 :調(diào)整磁場和電場方向，使得電場和磁場形成的洛倫茨力指向被加工的工件；步驟3 :采用功率密度>lGW/cm2的激光逐點(diǎn)輻照被加工工件表面的吸收保護(hù)層，使得吸收保護(hù)層吸收高能激光并汽化、爆炸并產(chǎn)生等離子體，等離子體受制于磁場和電場被約束在被加工工件表面后形成高壓沖擊波加載于被加工工件表面；所述激光的脈沖為飛秒、皮秒或納秒級的短脈沖；被激光輻照的點(diǎn)與點(diǎn)的光斑搭接率為50-75%。有益效果本發(fā)明提出的一種利用強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法，對于提高沖擊波壓力有明顯的作用，尤其是復(fù)雜工件下，水約束層施加不穩(wěn)定，磁場和電場約束將起重要作用。與傳統(tǒng)方法相比，磁場作用于整個(gè)等離子體團(tuán)，與每個(gè)帶電粒子發(fā)生作用，加速了電子的運(yùn)動速度，加劇了等離子體發(fā)應(yīng)，提高等離子體對激光能量的吸收效果，同時(shí)通過調(diào)整磁場電場方向，使帶電粒子的洛倫茨力指向工件表面，可約束等離子體向激光入射方向的膨脹，提高沖擊波壓力。本發(fā)明與常規(guī)施加約束層的方法相比
(I)等離子體中帶電粒子密度非常大，利用磁場、電場和等離子體的共同作用，約束作用更加穩(wěn)定，環(huán)保，無污染。(2)磁場電場施加方便，覆蓋徹底，可全部覆蓋任意構(gòu)件，彌補(bǔ)水約束層對復(fù)雜構(gòu)件水幕不穩(wěn)定，覆蓋不完全特點(diǎn)。(3)更好的約束等離子體膨脹，獲得更高的沖擊波壓力。



圖1 :本發(fā)明方法示意圖；1、陽極，2、陰極，3、電場，4、磁場，5、激光，6、工件，7、等離子體，8、吸收保護(hù)層。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明采用磁場和水約束層共同約束等離子體的膨脹，提升沖擊波壓力。激光等離子體產(chǎn)生原理為強(qiáng)激光在空氣中經(jīng)透鏡聚焦后，當(dāng)光束的能量密度超過空氣擊穿閾值時(shí)，在激光束的強(qiáng)電場作用下，氣體發(fā)生電離、強(qiáng)烈吸收激光，同時(shí)壓力急劇升高、體積膨脹，發(fā)生小范圍的爆炸，這種現(xiàn)象稱為光學(xué)擊穿，一般認(rèn)為光線擊穿最先在焦點(diǎn)處發(fā)生。環(huán)境氣體中自然存在的自由電子非常少，電離勢很高，單個(gè)光子很難使氣體電離。通常認(rèn)為氣體通過多光子吸收機(jī)制產(chǎn)生少量自由電子，電子在激光束的高電場作用下加速運(yùn)動，與氣體原子碰撞發(fā)生電離，隨著自由電子數(shù)量增加，連續(xù)不斷的膨脹發(fā)展成電子雪崩。當(dāng)電子雪崩產(chǎn)生的自由電子超過由于激發(fā)、吸收和擴(kuò)散因素造成的損失時(shí)，氣體發(fā)生光學(xué)擊穿，形成等離子體吸收區(qū)。激光能量在一定厚度的等離子體吸收區(qū)內(nèi)被電子吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使溫度升高。等離子體迅速向周圍空氣膨脹，壓縮空氣，形成激光支持的爆轟波。等離子體是一種高度電離氣體，高度電離，帶電粒子的密度足夠高，正負(fù)帶電粒子之間相互作用很強(qiáng)，由于存在各種自由電子和各種電荷離子，等離子體導(dǎo)電率很高。對磁場和電場非常敏感，利用磁場和電場對帶電粒子產(chǎn)生的洛倫茨力可以控制等離子體的位置、形狀與運(yùn)動。本發(fā)明所述實(shí)施例中，采用磁鐵和電源在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)建立磁場和電場，約束等離子體膨脹，提高沖擊波壓力。具體實(shí)施步驟為步驟1:將被加工的工件置于電場和磁場中，工件表面的吸收保護(hù)層面對電場的陽極，磁場施加在工件兩側(cè)；如圖1所示；步驟2 :調(diào)整磁場4和電場3的方向，使得電場和磁場形成的洛倫茨力指向被加工的工件；步驟3 :采用功率密度為5GW/cm2的激光5逐點(diǎn)輻照被加工工件表面的吸收保護(hù)層，使得吸收保護(hù)層吸收高能激光并汽化、爆炸并產(chǎn)生等離子體，等離子體受制于磁場和電場被約束在被加工工件表面后形成高壓沖擊波加載于被加工工件表面；所述激光的脈沖為脈寬IOns的短脈沖；被激光輻照的點(diǎn)與點(diǎn)的光斑搭接率為50-75%。在實(shí)施例中吸收保護(hù)層吸8收高能激光并汽化、爆炸產(chǎn)生高溫高壓等離子體7 ；在磁場4和電場3共同作用下，高溫高壓的等離子體約束在工件6表面，形成高壓等離子體沖擊波，等離子體受制于磁場和電場被約束在被加工工件表面后形成高壓沖擊波加載于被加工工件表面。
權(quán)利要求
1.一種利用強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法，其特征在于步驟如下步驟1:將被加工的工件置于電場和磁場中，工件表面的吸收保護(hù)層面對電場的陽極， 磁場施加在工件兩側(cè)；步驟2 :調(diào)整磁場和電場方向，使得電場和磁場形成的洛倫茨力指向被加工的工件； 步驟3 :采用功率密度>lGW/cm2的激光逐點(diǎn)輻照被加工工件表面的吸收保護(hù)層，使得吸收保護(hù)層吸收高能激光并汽化、爆炸并產(chǎn)生等離子體，等離子體受制于磁場和電場被約束在被加工工件表面后形成高壓沖擊波加載于被加工工件表面；所述激光的脈沖為飛秒、 皮秒或納秒級的短脈沖；被激光輻照的點(diǎn)與點(diǎn)的光斑搭接率為50-75%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以強(qiáng)磁場和電場提高激光等離子體沖擊波壓力強(qiáng)化處理材料表面的方法，對于提高沖擊波壓力有明顯的作用，尤其是復(fù)雜工件下，水約束層施加不穩(wěn)定，磁場和電場約束將起重要作用。與傳統(tǒng)方法相比，磁場作用于整個(gè)等離子體團(tuán)，與每個(gè)帶電粒子發(fā)生作用，加速了電子的運(yùn)動速度，加劇了等離子體發(fā)應(yīng)，提高等離子體對激光能量的吸收效果，同時(shí)通過調(diào)整磁場電場方向，使帶電粒子的洛倫茨力指向工件表面，可約束等離子體向激光入射方向的膨脹，提高沖擊波壓力。
文檔編號C21D10/00GK103014314SQ20121057152
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者何衛(wèi)鋒, 李應(yīng)紅, 周留成, 何光宇, 聶祥樊 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學(xué)