[发明专利]一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法

说明书

一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置，包括激光器、透镜组、水槽、靶材和三维移动平台，激光器发射的激光经过透镜组后形成的激光束聚焦于靶材上方，靶材放置在水槽内的载物台上，水槽设置于三维移动平台上；激光束与靶材垂直，激光束焦点处于水槽内注有的强化液内；一种水下粒子空泡耦合的材料强化方法，包括如下步骤：设定激光功率，安装透镜组，打开激光器，调定激光束聚焦点与靶材之间的距离，焦点与靶材垂直；启动三维移动平台，使其按照设定的路线进行移动，水槽做相同的移动，焦点在靶材的不同位置诱发粒子空泡，对靶材实施冲击强化。该装置结构简单，易于操作，能满足对轻质合金材料的强化要求；该强化方法能够实现对轻质合金材料的强化。

技术领域

本发明涉及材料强化装置及方法，具体涉及一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法，属于材料表面强化技术领域。

背景技术

在如今节能降耗减排的发展趋势下，轻质合金作为密度最轻的金属材料，是最具发展前景的金属材料之一。近年来，随着研制技术的不断发展，轻质合金材料不但在航空航天、武器装备等研发中发挥着重要作用，还被广泛应用于汽车、通讯设备、电子产品等民用产品领域。尽管轻质合金材料的各项性能指标得到了空前的发展，但仍然存在绝对强度低的问题，这在一定程度上限制了轻质合金材料的应用。

现有的合金材料强化方法主要是利用激光作用于液体中，当激光能量达到液体介质的击穿阈值，液体会被击穿产生等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量后迅速膨胀形成空泡，空泡在固液交界面附近运动时，由于其两侧存在压力差，空泡会产生趋壁效应，在空泡脉动溃灭过程中伴随着冲击波和水射流作用，进而对材料表面形成力学作用。该强化方法虽然能够在一定程度上提高合金材料的强度，但强化效果并不理想。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置及方法，该装置结构简单，易于操作，能够满足对轻质合金材料的强化要求；该强化方法能够实现对轻质合金材料的强化，显著地提高其绝对强度。

为了实现上述目的，本发明提供一种水下粒子空泡耦合的材料强化装置，包括激光器、透镜组、水槽、靶材和三维移动平台，所述的激光器发射的激光经过透镜组后形成的激光束聚焦于靶材上方，靶材放置在水槽内的载物台上，水槽设置于三维移动平台上；

激光束与靶材表面垂直，且激光束的焦点处于水槽内注有的强化液内，焦点与靶材上表面之间的距离为0.1mm～2mm，所述强化液采用10nm～100nm的碳化硅粒子与水以1:100～1:200的质量比均匀混合而成。

进一步地，所述的透镜组以激光器为起点，由近及远依次为凹透镜、凸透镜、全反镜和聚焦透镜。

进一步地，所述的激光束为大于1500毫焦的高能量激光；所述的靶材为轻质合金；所述的碳化硅粒子为硬质陶瓷粉末；所述的水槽材质为树脂塑料或玻璃；所述的水为自来水或纯净水。

一种水下粒子空泡耦合的材料强化方法，包括如下步骤：

(1)将水槽内的强化液采用10nm～100nm的碳化硅粒子与水以1:100～1:200的比例混合均匀；

设定激光功率，安装透镜组，打开激光器，调定激光束聚焦点与靶材上表面之间的距离，并使焦点与靶材表面保持垂直；

(2)启动三维移动平台，使其按照设定的路线进行移动，设置于其上端的水槽随之做相同的移动，焦点在靶材的不同位置诱发粒子空泡，对靶材实施冲击强化。

进一步地，步骤(1)中透镜组以激光器为起点，由近及远依次为凹透镜、凸透镜、全反镜和聚焦透镜。

进一步地，步骤(1)中的激光束为大于1500毫焦的高能量激光；焦点与靶材之间的距离为1mm；强化液采用20nm的碳化硅粒子与水以1:100的比例均匀混合而成。