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1、(10)申请公布号 CN 102787217 A(43)申请公布日 2012.11.21CN102787217A*CN102787217A*(21)申请号 201210308675.3(22)申请日 2012.08.27C21D 1/09(2006.01)C21D 7/00(2006.01)(71)申请人中国科学院力学研究所地址 100190 北京市海淀区北四环西路15号(72)发明人吴先前 黄晨光 王曦 魏延鹏宋宏伟(74)专利代理机构北京和信华成知识产权代理事务所(普通合伙) 11390代理人胡剑辉(54) 发明名称LSP强化效果主控参量与优化设计方法(57) 摘要本发明公开了一种LSP强。
2、化效果主控参量与优化设计方法，该方法是：在公式1：公式2：中，通过改变三个参数和其中之一并保持其余两个参数不变来做多组实验，获得Lp和m与保持不变的参数的关系，再通过迭代计算来获得Lp和m与改变的参数的关系，从而得到该改变的参数对强化效果的影响曲线；其中，Lp塑性区深度、m最大残余压应力、E激光能量、激光密度、0靶体材料的密度、I0功率密度、Ya屈服应力、Cea吸收层弹性波速、ha吸收层厚度、R光斑半径、激光半峰宽时间。本发明得到了激光冲击强化过程中的主控无量纲参数以及强化效果的几何相似律，同时可以得到不同参数对强化效果的影响曲线。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页(19)中华人。
3、民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 3 页1/1页21.一种LSP强化效果主控参量与优化设计方法，该方法是：在公式1：公式2：中，通过改变三个参数和其中之一并保持其余两个参数不变来做多组实验，获得Lp和m与保持不变的参数的关系，再通过迭代计算来获得Lp和m与改变的参数的关系，从而得到该改变的参数对强化效果的影响曲线；其中，Lp塑性区深度、m最大残余压应力、E激光能量、激光密度、0靶体材料密度、I0功率密度、Ya屈服应力、Cea吸收层弹性波速、ha吸收层厚度、R光斑半径、激光半峰宽时间。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述参数中改变I0，在所述参数中改。
4、变ha，在所述参数中改变。权 利 要 求 书CN 102787217 A1/3页3LSP 强化效果主控参量与优化设计方法技术领域0001 本发明涉及一种激光冲击强化（LSP）的强化效果主控参量与优化设计方法。背景技术0002 激光冲击强化（Laser shock peening,LSP）是一种新型的材料表面处理工艺。LSP过程中，短瞬时、高功率密度激光辐照吸收层材料，使其熔化、气化、电离，形成等离子体。等离子体继续与激光作用，其电子浓度、离子浓度、温度、内能以及压力迅速升高。形成的高温等离子体受到约束作用诱导短脉宽高幅值的等离子体压力。该压力在靶体材料内部传播的过程中使材料发生塑性变形并在冲击。
5、表面附近形成残余压应力，从而实现强化的效果。0003 激光冲击强化效果的影响因素和影响规律比较复杂，工艺控制参数很多，因此需要对激光冲击强化过程中的工艺参数进行优化设计。0004 激光冲击强化过程中的工艺参数主要由激光参数和材料参数组成。激光参数包括激光能量、激光功率密度时间分布及空间分布、光斑尺寸。材料参数包括约束层、吸收层以及靶体材料的力学参数、几何参数以及热力学参数等。如何选择合适的工艺参数，对激光冲击处理的强化效果至关重要。0005 由于激光冲击强化机理的复杂性和材料体系的多样性，强化效果的系统分析比较困难。0006 虽然目前对激光冲击强化工艺参数的研究已经开展了大量的工作，但是理论分。
6、析工作基于很大程度的简化，没有考虑压力演化的复杂性、压力空间和时间分布的不均性以及材料在这种复杂载荷条件下的变形行为，不能准确反映出激光冲击强化的物理作用机理。0007 另外，目前的研究工作主要是对实验结果的定性分析和规律总结，不能揭示强化效果与工艺参数的本质关系。激光冲击的强化效果是由激光参数、材料参数以及冲击处理参数共同作用的，如何获得工程中需要的主控无量纲参并进而对工艺参数进行优化设计，目前还缺乏有效的系统分析方法。发明内容0008 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种LSP强化效果主控参量与优化设计方法，能够优化设计激光冲击强化的工艺参数。0009 本发明提供的一种LSP强。
7、化效果主控参量与优化设计方法是：0010 在公式1：公式2：中，通过改变三个参数和其中之一并保持其余两个参数不变来做多组实验，获得Lp和m与保持不变的参数的关系，再通过迭代计算来获得Lp和m与改变的参数的关系，从而得到该改变的参数对强化效果的影响曲线；其中，Lp塑性区深度、m最大残余压应说 明 书CN 102787217 A2/3页4力、E激光能量、激光密度、0靶体材料密度、I0功率密度、Ya屈服应力、Cea吸收层弹性波速、ha吸收层厚度、R光斑半径、激光半峰宽时间。0011 优选地，在所述参数中改变I0，在所述参数中改变ha，在所述参数中改变。0012 本发明通过优化参数设计，将塑性区深度和。
8、最大残余压应力与三个无量纲参数和对应进行计算，能够获得塑性区深度和最大残余压应力与改变的参数的关系，从而得到了激光冲击强化过程中的主控无量纲参数以及强化效果的几何相似律，同时可以得到不同参数对强化效果的影响曲线，从而在每一次实验中直接得到冲击的强化效果，为工艺参数的优化提供了一种方法。具体实施方式0013 本发明是建立激光冲击强化过程中强化效果与工艺参数间的定量关系，通过分析获得影响激光冲击强化效果的主控无量纲参数以及强化效果的几何相似律，从而发展工艺参数的优化设计分析方法。0014 本发明的LSP强化效果主控参量与优化设计方法是：0015 在公式1：公式2：中，通过改变三个参数和其中之一并保。
9、持其余两个参数不变来做多组实验，获得Lp和m与保持不变的参数的关系，再通过迭代计算来获得Lp和m与改变的参数的关系，从而得到该改变的参数对强化效果的影响曲线；其中，Lp塑性区深度、m最大残余压应力、E激光能量、激光密度、0靶体材料密度、I0功率密度、Ya屈服应力、Cea吸收层弹性波速、ha吸收层厚度、R激光光斑半径、激光半峰宽时间。0016 优选地，在上述参数中改变I0，在上述参数中改变ha，在上述参数中改变。0017 在实际的工艺过程中，对于指定的被强化材料，通常调节的参数有激光能量J、半峰宽时间、光斑面积S、波长，约束层材料厚度，吸收层材料厚度。控制的参数很多。但是冲击强化效果（包括塑性区。
10、深度和最大残余压应力幅值）实际是受到上述参数组合后的无量纲参数控制的。例如，其他参数不变，当激光能量和光斑面积同时加倍时，将得到相同的强化效果。0018 其中，两个无量纲自变量ha/R和R/(Cea)都有明确的物理意义，ha/R表示惯性约束所需要的吸收层或约束层的厚度与自由面起卸载作用的长度之比，R/(Cea)表示激光辐照加载区（相应于激发得到高压区）的尺寸与卸载作用的长度之比。当激光波长和材料选定以后，而且激光使用相同的功率密度I0，那么，在几何参数和时间参数按照同样大小的比例放大或缩小的条件下，塑性区深度Lp按照相同比例放大或缩小，而最大残余压应力值m保持不变。说 明 书CN 102787。
11、217 A3/3页50019 下面通过具体的例子来进行说明。0020 在实验过程中，为了得到无量纲参数对强化效果的影响，可以开展几次实验来获得影响曲线。例如。我们为了得到2024铝合金材料在激光冲击强化过程中的无量纲参数的影响，在相同光斑半径R和脉宽时间的情况下，通过调整激光能量来设计五种不同功率密度参数I0，分别为2.0GW/cm2、2.5GW/cm2、3.0GW/cm2、3.5GW/cm2、4.0GW/cm2。这样，无量纲参数和保持不变，强化效果只收到无量纲参数的影响。五种激光功率密度实验后，分别测量得到材料的塑性区深度Lp分别为0.28mm、0.31mm、0.35mm、0.42mm和0.53mm；最大残余压应力m分别为250MPa、278MPa、305MPa、320MPa和350MPa。这样，就可以得到以及与的关系分别为0021 0022 0023 利用这种方法，通过设计其他参数实验，也可以得到其他无量纲参数对强化效果的影响曲线。0024 通过上述分析，得到了激光冲击强化过程中的主控无量纲参数以及强化效果的几何相似律，同时可以得到不同参数对强化效果的影响曲线，为激光冲击强化工艺参数的优化设计提供了一种可行的分析方法。说 明 书CN 102787217 A。