[发明专利]交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法

说明书

本发明公开了一种交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法，包含以下步骤：(1)将待强化工件放置于工作平台上，并在工件上表面铺设约束层；(2)开启微型鼓风机，吹扫保护镜下表面；(3)开启脉冲激光器，设定工艺参数，并发射脉冲激光束，激光束经由反射镜、聚焦镜、保护镜及网状结构件作用于待强化工件表面；(4)重复步骤(1)～(3)，实现对工件不同区域的激光冲击强化。本发明可实现工件表面及厚度三维方向晶粒尺寸的连续梯度变化，获得交替式规整三维梯度纳米结构，在显著提升材料的强度的同时，还将进一步提升材料的延展性，进而提升工件的综合力学性能，本发明操作简单，成本低廉，可靠性高，适用于工程规模化推广及应用。

技术领域

本发明涉及材料表面改性技术领域，具体涉及一种交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法。

背景技术

相比于非金属材料，现阶段制约金属材料在工程领域广泛应用的主要原因是无法实现金属材料的强韧结合。一般而言，金属材料要想通过表面改性实现良好韧性，一方面需要在材料厚度方向产生梯度分布的纳米孪晶，另一方面还需要在材料表面产生压应力。激光冲击是一种卓越的表面改性方法，借助于激光器发射的高频脉冲激光束可在待强化的金属构件表面形成GPa级别的冲击波压力，使得材料内部微裂纹钝化甚至闭合，能够有效抑制材料内部裂纹的萌生及扩展，显著提升材料的表面强度，但激光冲击在提升材料强度的同时，往往会降低材料的延展性，因此如何在不牺牲材料延展性的同时，显著提升材料的强度，这是制约激光冲击在表面改性工程领域进一步应用的主要技术瓶颈之一。

相关领域学者针对激光冲击强化开展了一系列研究，如公开号为CN102492805A的中国专利，采用深冷激光冲击金属材料的方法，在液氮超低温环境中采用激光冲击金属材料，显著提升了材料的强度和韧性，但也存在着不足：(1)冲击环境存在着明确的温度限制，即需在超低温液氮环境下进行激光作业；(2)仅在材料厚度方向产生了梯度分布的纳米孪晶组织，材料的延展性还存在进一步优化的空间；(3)激光冲击作业步骤繁琐，成本高昂。如公开号为CN111961836A的中国专利，采用电磁铁施加特定的弧形磁场，降低金属抵抗塑性变形的能力，扩大了激光冲击诱发残余压应力的影响区域，但也存在着不足：(1)产生磁致塑性的有效磁场强度为1.0～4.0T，然而偌大的磁场强度势必会带来极大的电能损耗；(2)电磁铁同样无法产生真正意义上的均匀弧形磁场，即无法保证磁场内部各处磁场强度的均匀性；(3)工艺间的复合势必会带来诸多不确定变量因素，要想投入工程实践，需进行大量的验证试验。如公开号为CN108531713B的中国专利，在激光冲击作业时，采用两种脉冲能量和脉冲宽度不同的激光束先后作用于工件表面，通过调节激光能量和脉宽的大小，减小了首次激光作用时的加工硬化层深，进而提升了残余压应力的影响深度，但也存在不足：(1)采用多层激光冲击，即多个激光作业周期，无形中增加了激光作业的总时长，不利于提升激光作业的效率；(2)短时间内频繁调节激光器参数，极易损伤激光器内置控制模块，不适用于大尺寸工件的加工强化。如公开号为CN110578047A的中国专利，针对激光冲击形成的亚稳态强化结构在高温环境中失稳问题，提出了一种控温防氧化的高温激光冲击强化装置，但也存在不足：(1)激光冲击作业的实时环境有着明确的温度区间限制；(2)为了实现工件激光冲击作业时的低氧化性，需保证装置的充分密闭性；(3)实验装置复杂，实现工程领域的规模化应用存在着较大的困难。

相关研究表明，工件表面或其厚度方向若形成晶粒尺寸连续变化的梯度结构，在不牺牲材料延展性的同时，会显著提升材料强度。但目前仍未见采用激光技术制备交替式规整三维梯度纳米结构的专利报道。本发明首次提出一种交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法，该方法既可实现材料强度的有效提升，又可进一步提升材料的延展性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法，可通过脉冲激光束在待强化的工件表面制备交替式规整三维梯度微结构的同时同步提升材料的强度和延展性，从而有效提升材料的疲劳性能和断裂韧性。

为实现上述目的，本发明提供一种交替式规整三维梯度纳米结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：