[发明专利]利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法与装置

权利要求书

1.一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，其特征在于利用水作为激光束的导光介质，使高能量密度激光束与具有设定压力的去离子水进行耦合，以高压去离子水为约束层，同时利用耦合后的光水复合体对材料表面进行喷丸强化，材料表面吸收层吸收激光能量后诱导等离子爆轰波产生的压力与高压水流产生的压力叠加，使得材料表面发生塑性变形，产生残余压应力场，同时材料表层晶粒高度纳米化，力学性能得到改善。

2.根据权利要求1所述的利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，主要包括如下步骤：

A)用工业酒精清洗金属试样表面，然后将能量吸收层涂覆在待处理区域，将金属试样放置于五轴联动数控工作台上；

B)开启液压泵，调节液压调压阀压力，控制液压指示盘的压力在50~80 MPa之间，将储水腔内慢慢充满去离子水，此时的去离子水会流出喷嘴并且以50~80 MPa的冲击力冲击材料表面；

C)开启气压泵，调节气压调压阀压力，控制气压指示盘的压力在5 ~30 MPa之间，将压力为5 ~30 MPa的空气输送至高压气腔，经由下端喷嘴喷出；

D)启动计算机系统控制Nd:YAG固体激光器和五轴联动数控工作台至预定加工轨迹，调节聚焦透镜调焦系统调节焦点位置，使Nd:YAG固体激光器发出激光能量为100 mJ~2 J、光斑直径为0.2~2 mm的激光束，激光束与水耦合生成光水复合体，此时进一步调节液压调压阀的压力，使其升高至200~300 MPa，此时的去离子水会以200~300 MPa的冲击力冲击材料表面进行光水复合喷丸强化； 

E)喷丸完毕后，关闭激光器与计算机系统，然后依次关闭液压泵与气压泵，取下工件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是对金属构件表面进行喷丸强化所使用的动力有两个来源：一个是经由液压泵、液压调压阀、储水腔、喷嘴喷出的高压去离子水冲击在金属构件表面的压力；另一个是高能量密度激光束在金属构件表面诱导的等离子体爆轰波施加在材料表面的巨大冲击力，上述两个压力叠加后引起材料表面塑性变形继而产生残余压应力场和晶粒纳米化。

4.一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的装置，其特征是它包括计算机控制系统(1)、Nd:YAG固体激光器(3)、反光镜(2)、五轴联动数控工作平台(17)、聚焦透镜调焦系统(25)、储水腔(21)、耐高压玻璃(10)、液压泵(22)、高压气腔(14)、气压泵(13)和喷嘴(15)；所述聚焦透镜调焦系统(25)安装在储水腔(21)的上部，所述储水腔(21)通过液压管路与液压调节阀(23)和液压泵(22)相连接，液压泵(22)进水口接至回流槽(18)；所述高压气腔(14)通过通气管路与气压调压阀(12)和气压泵(13)相连接，高压气腔(14)位于储水腔(21)与待喷丸试样(19)之间，高压气腔(14)下端靠近待喷丸试样(19)的面上，设有供储水腔(21)中的去离子水及高压气腔(14)的气体喷出的喷嘴(15)；计算机控制系统(1)控制五轴联动数控工作平台(17)与Nd:YAG固体激光器(3)；待喷丸试样(19)安装在防溅腔(20)内，防溅腔(20)安装在五轴联动数控工作平台(17)上，能量吸收层(16)覆置于待喷丸试样(19)上；在储水腔(21)的底部设有出水口，所述的耐高压玻璃(10)安装在储水腔(21)上导光腔(9)的内部，并与储水腔(21)底部的出水口相对；反光镜(2)安装在所述聚焦透镜(4)的光路上，Nd:YAG固体激光器(3)安装在反光镜(2)的入射光一侧；Nd:YAG固体激光器(3)发出的激光束经过聚焦透镜(4)的聚焦和柱形导光腔(9)的无水阻传输，穿透柱形导光腔(9)底端的耐高压玻璃(10)，与储水腔(21)中喷出的去离子高压水在储水腔(21)底部的出水口处耦合，形成光水复合体，经过高压气腔(14)底端的喷嘴(15)喷出，喷射到金属构件表面完成强化。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是高压气腔(14)的喷嘴(15)到待喷丸试样(19)表面之间的距离在10~40 mm范围之内。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征是由液压泵(22)送到储水腔(21)里的水是经过过滤、软化后的去离子水，其经过液压调压阀后的压力范围为50~350 MPa。