CN101629227B - 一种提高材料高温疲劳寿命的强化方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高高温条件下零件的疲劳寿命的材料改性方法和装置，将激光冲击强化技术与低温离子注入处理这两种技术有效结合起来，利用各自的优点来弥补对方的不足，零件材料经过激光冲击强化处理后再对其表面进行离子注入复合处理加工，使其表面形成高幅残余压应力，这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性能，且在高温疲劳条件下激光冲击所产生的残余压应力不会大大释放，从而提高零件的高温疲劳寿命。

Description

一种提高材料高温疲劳寿命的强化方法与装置
技术领域
本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，特指一种激光冲击与低温离子注入复合处理技术延长高温条件下工件的疲劳寿命的方法与装置，尤其适用于高温疲劳条件下金属材料及合金材料的表面强化改性。
背景技术
激光冲击强化(LSP)是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，在金属材料表面形成塑性变形层，从而使金属材料的疲劳强度与硬度等性能得以提高，尤其是疲劳寿命。这一技术已在航空、船舶、机械工程、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。
离子注入技术是将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的一种材料表面改性技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
由于设备构件多处在高温、高压等复杂多变的工况条件下，例如在航空航天、石油化工、核子工业、动力机械行业中。这些复杂的载荷、苛刻的环境都对设备材料的疲劳、蠕变性能造成很大的影响，使得对材料的高温性能提出来很大的挑战。
本发明技术就是将激光冲击强化技术与低温离子注入处理这两种技术有效结合起来，利用各自的优点来弥补对方的不足，零件材料经过激光冲击强化处理后再对其表面进行离子注入复合处理加工，使其表面形成高幅残余压应力，这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性能，且在高温疲劳条件下激光冲击所产生的残余压应力不会大大释放，从而提高零件的高温疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是综合解决材料表面强化改性产生的残余压应力在高温疲劳条件下容易释放的难题。一种激光冲击和低温离子注入复合处理技术延长零件高温疲劳寿命的方法与装置，利用激光冲击产生的高幅值残余压应力层，与离子注入提高零件表面的耐磨性和抗腐蚀性，有效地改善零件的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。这种技术明显提高了零件的高温疲劳寿命，扩大了材料的使用温度。
本发明提供了用激光冲击与低温离子注入复合处理技术延长高温疲劳件疲劳寿命的装置，该装置由激光冲击强化装置和离子注入机组合而成，激光强化装置由依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、多轴复合运动的工作平台组成。在激光冲击波的高压作用下，金属表面形成极大的冲击或应力波，从而使材料表层显微组织中产生密集、均匀、稳定的位错压结构，材料表面晶粒得到细化，残留高幅值压应力层。
激光冲击处理结束后，再对工件在离子注入机上进行离子注入。根据美国SAE激光冲击强化规范，为了预防残余压应力的降低，离子注入处理时，最高温度不超过200℃，离子注入后无需再进行机械加工和热处理。由于激光冲击处理后试样表面活性增大，更利于注入的离子向基体扩散，使试样表面的注入离子浓度梯度更为平缓，在服役过程中，离子注入层不容易剥落而且有效的防止了激光冲击强化产生的残余压应力在高温疲劳下的松弛。从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。
本发明表面处理方法的创新，在于充分结合了激光冲击强化和低温离子注入工艺的特点，激光冲击强化产生的残余压应力能明显降低裂纹扩展速率，并可能提高疲劳裂纹扩展门槛应力强度因子，这种强化效应在结构的止裂上有很好的工程应用前景。但很多设备经常要在高温高压下长期工作，这样强化产生的残余压应力将会释放，而离子注入可有效的阻止残余压应力在高温疲劳下的释放。将这两者结合起来，可以对金属材料进行全方位综合表面改性强化。
这项技术主要用于在高温高压条件下具有高耐磨、抗高蚀、易疲劳、减摩性的精密机械零件的表面处理以及各种固体材料和粉末材料的改性要求，如航空、航天、石油和化工领域。该技术可用来代替高污染的电镀工艺，代替金属热处理中的许多工艺，代替某些表面强化技术。以提高耐磨、耐疲劳性能，特别是用来解决零件高温疲劳失效的难题。同样，也可用来代替发蓝、镀铬、镀镍等表面防护，以便大幅度提高零件的抗蚀性，大大降低生产成本。进一步推广该技术可以应用在石油、化工，机械工程、汽车、核子工业、军械、机床、模具加工等行业。
本发明的优点如下：
(1)可满足工件的多种性能要求：激光冲击与低温离子注入复合处理不仅能对金属结构件表面强化改性处理，而且适用于于合金结构件，激光冲击形成的残余应力层深度比机械喷丸深约10倍左右，离子注入提高工件耐磨性、抗高温氧化性、抗疲劳性及抗腐蚀特性，所以工件的疲劳寿命大大提高，特别是高温疲劳寿命。
(2)该复合处理后材料表面的变形很小，不影响材料心部性能。激光冲击金属表面时，由于激光冲击的时间极短(ns量级)，工件几乎没有受到热影响，其表面温度仅在120℃左右，故激光冲击处理主要是利用其高压力学效应而非热效应，从而可将激光冲击处理工艺归为冷加工工艺。离子注入处理温度低，无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度。复合处理后工件基本不变形、外观均匀、美丽、可作为产品最终处理。
(3)该复合处理技术简单快捷、效率高，生产维护成本低，处理时间短(30min～5h)可实现连续化作业，保证了产品生产的高效率。
(4)该复合处理技术是一种纯净的无公害的表面处理技术。
附图说明
图1为激光冲击与低温离子注入复合处理工艺流程图。
图2为激光冲击强化示意图。
具体实施方式
先进行激光冲击强化处理：清洗要冲击的表面、干燥、涂上涂层(86-1型黑色涂料)、装夹、加约束层(水)、激光冲击+清洗冲击区的黑漆+干燥。
在采用激光冲击强化过程中，激光输出波长为1.054μm，输出激光的脉冲宽度(FWHM)为22.1ns，激光脉冲能量约为35J时，脉冲激光1经过光学镜片2聚焦后，光斑汇聚在零件应力集中部位3处，经过激光冲击强化后，发现材料的表面残余压应力与位错密度均得到极为显著的提高，从而零件疲劳寿命延长了许多，裂纹萌生时的循环次数由原来的15000次循环延长到35000次左右，从而极大地提高了疲劳寿命。
低温离子注入：清洗(氩离子溅射清洗30min，以除去试样表面残存的氧化物和油渍)+干燥+离子注入(注入能量为60keV，束流密度为8μA/cm2，最大温度不超过200℃，注入剂量为1×1017ion/cm2)真空度为6.8×10-6Torr。
经激光强化处理后在材料表层产生残余压应力，由于残余压应力在疲劳载荷中起着负平均应力的作用，延缓了疲劳裂纹的萌生。但是材料表层的残余压应力在热应力、热应变的高温疲劳环境中将会大大释放，经低温离子注入后，将会抑制残余应力的释放，从而增加零件在高温疲劳环境中疲劳裂纹的扩展，提高使用寿命。

Claims (2)

1.一种提高高温条件下零件的疲劳寿命的材料改性方法，其特征在于：首先进行激光冲击强化处理，将零件要处理的表面依次进行清洗、干燥、涂黑漆、加约束层、激光冲击强化、清洗、干燥；然后在激光冲击的表面进行离子注入处理，将零件要处理的表面依次进行清洗、干燥、离子注入；为了预防残余压应力的降低，离子注入处理时，最高温度不超过200℃。
2.一种根据权利要求1所述的提高高温条件下零件的疲劳寿命的材料改性方法的装置，其特征在于：由激光冲击强化装置和离子注入机组合而成，激光强化装置由依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、多轴复合运动的工作平台组成。
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