专利摘要

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。

权利要求

1.一种铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，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；所述大能量激光的激光能量范围为5～20焦耳，喷丸次数为3～10次；

(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0.5～1小时进行再结晶退火处理，其中，Q为再结晶激活能，A为材料常数，t为高温保持时间，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，小能量激光的激光能量范围为3～5焦耳，喷丸次数为1～3次。

2.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，步骤(1)中激光喷丸强化塑性变形时的参数如下：激光脉宽范围为8～20纳秒。

3.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，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：激光脉宽范围为8～20纳秒。

4.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储能低于再结晶的临界形变储能Es0，增加大能量激光强化的次数与激光能量，直到材料形变储能高于再结晶的临界形变储能Es0。

5.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于，铝合金表面细晶的体积分数通过再结晶温度与保持时间调控，铝合金表面的位错密度通过高温保持后激光喷丸的激光能量与喷丸次数调控，即：若铝合金表面韧性不满足要求，增加步骤(2)中再结晶温度与保持时间并重复步骤(3)，直至韧性达到要求；若铝合金表面强度不满足要求，增加步骤(3)中激光喷丸的激光能量与喷丸次数，直至强度满足要求。

6.根据权利要求4所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于：再结晶的临界形变储能为

其中，γ为再结晶界面表面能，r为再结晶晶粒半径。

7.根据权利要求1所述的铝合金表面强韧性的调控方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(3)中，激光喷丸时，采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层。

说明书

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。

进一步地，在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储能低于再结晶的临界形变储能E_s0，增加大能量激光强化的次数与激光能量，直到材料形变储能高于再结晶的临界形变储能E_s0。

进一步地，铝合金表面细晶的体积分数通过再结晶温度与保持时间调控，铝合金表面的位错密度通过高温保持后激光喷丸的激光能量与喷丸次数调控，即：若铝合金表面韧性不满足要求，增加步骤(2)中再结晶温度与保持时间并重复步骤(3)，直至韧性达到要求；若铝合金表面强度不满足要求，增加步骤(3)中激光喷丸的激光能量与喷丸次数，直至强度满足要求。

进一步地，再结晶的临界形变储能为

其中，γ为再结晶界面表面能，r为再结晶晶粒半径。

进一步地，再结晶保温时间为0.5～1小时。

进一步地，再结晶温度为

其中，Q为再结晶激活能，A为材料常数，t为高温保持时间。

进一步地，步骤(1)和步骤(3)中，激光喷丸时，采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层。

本发明利用5～20焦耳的大能量激光对铝合金进行激光喷丸强化塑性变形，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；再通过再结晶退火处理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。再利用3～5焦耳的小能量激光对铝合金喷丸处理，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。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。

在处理过程中，可以根据处理后的材料的强度与韧性再进一步调整处理参数，通过控制位错与细晶的体积分数调控铝合金表面的强度与韧性。另外本发明绿色环保、无污染。

附图说明

图1为本发明所述一种铝合金表面强韧性调控方法的流程图。

图2中(a)为大能量激光喷丸强化后获得高密度位错，(b)为高温保持再结晶后获得超细晶粒，(c)为小能量激光喷丸强化后获得高密度位错与超细晶粒共存的表面组织。

图3为实施例一中喷丸强化后、再结晶后、喷丸强化后的金相图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的铝合金表面强韧性的调控方法，主要是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。首先，利用5～20焦耳的大能量激光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，如图2(a)所示，使材料表面产生高于再结晶临界形变储能的塑性变形；其中激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为3～10次。再通过再结晶退火处理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，如图2(b)所示。空冷至室温后，再利用3～5焦耳的小能量激光对铝合金喷丸处理，在铝合金再结晶晶粒中诱导产生位错，如图2(c)所示，其中激光脉宽范围为8～20纳秒，喷丸次数为1～3次。最终，获得位错与细晶共存的表面组织。

在处理过程中，激光喷丸时，采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层。在步骤(1)激光喷丸强化塑性变形后，利用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，若材料的形变储能低于再结晶的临界形变储能E_s0，增加大能量激光强化的次数与激光能量，直到材料形变储能高于再结晶的临界形变储能E_s0。若低于再结晶的临界形变储能，铝合金在高温保持过程中不会产生再结晶，因此无法得到细晶组织。

铝合金再结晶的临界形变储能为

其中，γ为再结晶界面表面能，r为再结晶晶粒半径。

还可以根据处理后的材料的强度与韧性再进一步调整处理参数，通过控制位错与细晶的体积分数调控铝合金表面的强度与韧性。铝合金表面细晶的体积分数通过再结晶温度与保持时间调控，铝合金表面的位错密度通过高温保持后激光喷丸的激光能量与喷丸次数调控。

高温保持时间为0.5～1小时。再结晶温度为：

其中，Q为再结晶激活能，A为材料常数，t为高温保持时间。若高温保持温度低于再结晶温度，铝合金不会产生再结晶，因此无法得到细晶组织。

若铝合金表面韧性不满足要求，增加步骤(2)中再结晶温度与保持时间并重复步骤(3)，直至韧性达到要求。

若铝合金表面强度不满足要求，增加步骤(3)中激光喷丸的激光能量与喷丸次数，直至强度满足要求。

实施例一

以2024铝合金为例，采用本发明所述的铝合金表面强韧性调控方法对材料表面进行处理，处理步骤如图1所示。

A.对2024铝合金表面进行清洗，去除表面污物；

B.采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层，进行大能量激光喷丸强化，其参数如下：激光能量为8焦耳，激光脉宽为15纳秒，喷丸次数为5次。喷丸强化后获得高密度位错，如图3(a)所示。

C.去除黑胶带后，采用XRD衍射仪对材料形变储能进行无损检测，表明材料表面形变储能已超过再结晶形变储能阈值；

D.在温度为230℃条件下开展高温保持实验，保持时间为0.6小时，通过再结晶过程实现晶粒细化，再结晶晶粒如图3(b)所示。

E.置于空气中冷却；

F.采用水帘作为约束层、黑胶带作为保护层，进行小能量激光喷丸强化，其参数如下：激光能量为3焦耳，激光脉宽为15纳秒，喷丸次数为2次。喷丸强化后获得高密度位错与超细晶粒共存的表面组织，如图3(c)所示。

G.获得位错与细晶共存的铝合金表面，实现强度与韧性的调控。

结果表明，一种铝合金表面强韧性调控方法可以在2024铝合金表面产生高密度位错与超细晶粒共存的表面组织，这种组织有利于提高2024铝合金的强度与韧性。

室温拉伸实验结果如表1所示，表明未喷丸、激光喷丸与再结晶处理后、本发明方法处理后2024铝合金的强度分别为161MPa、165MPa与194MPa，断后长度分别为35.97mm、35.93mm与36.61mm，说明本发明所述的铝合金表面强韧性调控方法可以显著提高铝合金的强度与韧性。

表1

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

一种铝合金表面强韧性的调控方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。