[发明专利]一种铝合金表面强韧性的调控方法

说明书

本发明提供了一种铝合金表面强韧性的调控方法，利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；再使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。本发明利用“大能量激光喷丸‑高温保持‑小能量激光喷丸”工艺制备位错与细晶组织共存的微观结构，进而大幅增加铝合金表面强韧性。

技术领域

本发明属于激光喷丸强化领域，特指一种铝合金表面强韧性的调控方法。

背景技术

激光喷丸强化是一种有效的金属/合金表面强化方法，利用极高的冲击波压力(GPa级)诱发材料表面塑性变形，在材料表面产生高密度位错等晶格缺陷，显著提高材料的强度与硬度。但是，由于高密度位错对后续位错滑移的阻碍作用，激光喷丸强化普遍会降低材料的塑性与韧性，这将导致激光喷丸强化表面二次加工困难、延伸率下降、脆性裂纹萌生等一系列问题。如何调控激光喷丸强化表面的强度与韧性、实现激光喷丸强化表面强韧性的提高，是目前急需解决的关键技术问题。

如申请号为201410177914.5的中国授权专利提出一种能显著提高航空铝合金材料抗振性能的方法及装置，首先通过激光温喷丸基于动态应变时效在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；喷丸完成后，迅速将工件至于5～8℃的水溶液中急剧冷却，降低位错湮灭以及晶粒长大过程，最终在室温下得到位错与细晶共存的微观组织。该专利可以增加铝合金的强度和韧性，但是存在以下缺点：(1)该方法是在高温的同时开展激光喷丸实验，传统约束层和吸收层不适用；(2)该方法中的高温保持时间与喷丸时间有关，因此难以控制加热时间，不利于控制晶粒细化程度；(3)该方法采用的温度为动态应变时效温度，不满足静态再结晶温度条件，因此晶粒细化程度较小。

与本专利最为接近的是标题为《退火处理对激光冲击AZ31镁合金力学性能的影响》(杨根妹,张凌峰,何换菊.中国激光,2015,42(2)：0206002-1.)的文献，利用激光喷丸与退火处理提高了镁合金的拉伸强度与延伸率，但该技术存在以下缺点：退火处理后材料内的位错密度大幅降低，虽然韧性显著增加，但材料的强度相比退火前大幅降低。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种铝合金表面强韧性的调控方法，利用“大能量激光喷丸-高温保持-小能量激光喷丸”制备位错与细晶共存的表面组织，可以克服现有技术的不足，通过控制位错与细晶的体积分数大幅改善铝合金表面的强度与韧性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种铝合金表面强韧性的调控方法，通过控制细晶的体积分数与位错调控铝合金表面的韧性与强度，包括以下步骤：

(1)利用多次、大能量激光喷丸对铝合金进行激光喷丸处理，使铝合金发生塑性变形，在铝合金表面诱导高密度位错，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；

(2)使用加热炉将铝合金表面加热至静态再结晶温度，并保温，使原始晶粒在形变储能驱动作用下再结晶细化为细小晶体，并空冷至室温；

(3)空冷至室温后，使用多次、小能量激光喷丸对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，获得位错与细晶共存的表面组织。

进一步地，步骤(1)中激光喷丸强化塑性变形时的参数如下：激光能量范围为5～20焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为3～10次。

进一步地，步骤(3)中激光喷丸处理在铝合金再结晶晶粒中产生位错时的参数如下：激光能量范围为3～5焦耳，激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为1～3次。