单/双脉冲飞秒激光冲击强化对表面性能的影响OA北大核心

目的探究单/双脉冲飞秒激光冲击钛金属对其表面质量和表面硬度的影响。方法利用飞秒激光对钛金属表面直接进行冲击,通过超景深显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、SEM能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计等仪器,表征和分析样品的微观形貌和力学性能。结果单脉冲主要产生鱼鳞状结构,双脉冲主要产生凹坑状结构,在相同功率下,单脉冲加工后的表面粗糙度低于双脉冲。重复频率和加工次数的增加能提高低脉冲能量下的表面质量。经低功率飞秒激光冲击后,在钛表面观察到激光诱导周期性结构(LIPSS),经多次加工后出现了颗粒和团簇等氧化结构。在表面粗糙度Ra低于1.6μm时,采用双脉冲fs-LSP可将钛表面显微硬度的提高幅度达到42%,并且在极高重复频率(5 MHz,8.1 W)下,表面显微硬度的提升幅度约为85%,而单脉冲fs-LSP的最大提升幅度为32%。在相同参数下,双脉冲能植入更高的残余压应力。增加加工次数能进一步细化晶粒,并在热积累受限时提高残余压应力。结论脉冲能量及其与材料的作用时间是影响表面形貌和硬度变化的主要因素,它受到激光功率、重复频率和加工次数的综合影响。双脉冲可以有效增大飞秒激光对钛金属表面的冲击压力,从而植入更大的残余压应力。fs-LSP表面硬度的提升来源于加工硬化、细晶强化和氧化层硬化的综合作用。