CN101717912A - 一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及特种加工领域，特指一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体改变金属表层元素成分增强表层金属性能的方法，适用于需强化的结构金属表面和摩擦副表面的加工。本发明的特征在于利用激光将金属基体上方的含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜汽化、电离生成需要渗入金属基体的材料的离子，在冲击波的作用下，将离子渗入到金属基体表层，达到改变表层金属的所需元素的含量，并且对表层激光冲击强化，本发明能够起到改变金属表层元素成分和强化金属表层的双重效果。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工领域，特指一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体改变金属表层元素成分增强表层金属性能的方法，适用于需强化的结构金属表面和摩擦副表面的加工。
背景技术
结构金属的表面性能对于结构件的机械性能、疲劳性能和抗腐蚀性能至关重要，目前各种表面改性技术比如激光表面处理、电子束加工和离子注入等能够大幅度提高结构金属的表面性能，并能够获得优良的增益效果。
激光表面改性技术具有对基体热影响小和易于实现自动化的优点，如美国专利US4613386，“Method of making corrosion resistant magnesium and aluminumoxyalloys”，该方法首先在镁合金表面沉积一层不超过1.5mm厚的铝、硅、钛、锰、锆等合金元素，然后在有氧环境下用高能脉冲激光辐照表面，在镁合金表面形成一层耐腐蚀的合金氧化层。我国专利CN1629352“镁合金激光表面强化修复方法”，该方法使用脉冲激光或二氧化碳激光，在大气条件下，使用氩气(或氦气或氩气、氦气的混合气体)进行保护，对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔、腐蚀坑等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。英国G.Abbas等人在文献“Corrosion behavior of laser-melted magnesium alloys”中研究了采用氩气作为保护气体，采用1.5kW连续CO2激光辐照镁合金AZ31、AZ61表面，光斑直径为2mm，扫描速度为160mm/s，扫描道间的搭接量为50％。该方法采用激光表面重熔技术，利用了激光热效应，使镁合金表面快速融化，随后在基体的自身热传导下使表面快速冷却，表面微观组织得到改善，在5％的NaCl溶液中浸泡腐蚀实验表明，经激光重熔后的镁合金表面的耐腐蚀性得到明显提高。这些激光表面改性技术主要是利用了激光的热效应，能够使得处理后的金属表层性能得到提高，但是由于热效应产生的表面呈现拉应力状态，容易萌生疲劳裂纹，并且热效应能够使金属表层受到损伤，影响了这些技术的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是要提供一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体改变金属表层元素成分增强表层金属性能的方法和装置。本方法利用激光将金属基体上方的含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜汽化、电离生成需要渗入金属基体的材料的离子，在冲击波的作用下，将离子渗入到金属基体表层，达到改变表层金属的所需元素的含量，并且对表层激光冲击强化，该方法能够起到改变金属表层元素成分和强化金属表层的双重效果。对金属基体表面采用该方法进行处理，能够生成良好性能的表面层，大幅度提高金属结构件的性能。
本发明提供了激光冲击波辅助离子渗入金属基体的装置，包括依次相连的计算机控制装置、纳秒激光发生器、45°全反镜、光斑调节光学镜片、掩模装置、水槽、水膜、工件夹具、五轴工作台和监测装置。光斑调节光学镜片由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成，主要控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光在空间上均匀分布；掩模装置控制激光光斑形状；纳米材料柔性贴膜是将要深入金属基体的元素，制备成含有该元素纳米材料柔性贴膜，可以方便粘附在金属基体上，作为激光冲击用的吸收层和渗入金属基体表层的离子源。监测装置主来用来监测纳米材料柔性贴膜上方水膜的厚度(1-2mm)以及监测激光束和纳米材料柔性贴膜的夹角，监测数据返回计算机控制装置。计算机控制装置可以根据监测装置反馈回来的数据并行控制纳秒激光发生器和五轴工作台，能够控制金属基体表面加工点和激光光束的相对位置，即通过控制装置编程和激光工艺参数实现金属基体表层的加工。
激光冲击波辅助离子渗入金属基体的方法的具体步骤如下：
(1)根据金属基体表层加工区域要求，通过计算机控制装置编程生成加工轨迹。确定激光光斑直径和能量等工艺参数。
(2)利用光斑调节光学镜片控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光束在空间上均匀分布。
(3)用掩模装置控制激光光斑形状，将作用在金属基体表面的激光调整为正方形光斑形状。
(4)将要深入金属基体的元素，制备成含有该元素纳米材料柔性贴膜，可以方便粘附在金属基体上，作为激光冲击用的吸收层和渗入金属基体表层的离子源。
(5)利用监测装置来监测纳米材料柔性贴膜上方水膜的厚度(1-2mm)以及监测激光束和纳米材料柔性贴膜的夹角，监测数据返回计算机控制装置。
(6)计算机控制装置可以根据监测装置反馈回来的数据并行控制纳秒激光发生器和五轴工作台，确保水膜厚度为1-2mm并且均匀，并使得金属基体表面加工点和激光束垂直。通过计算机控制装置编程和激光工艺参数实现金属基体表层的加工。
本发明激光冲击波辅助离子渗入金属基体工艺方法的创新，对结构金属基体表面粘附需要渗入元素的纳米材料柔性贴膜，然后进行激光冲击处理，这样不仅渗入了所需元素的离子改变了表层金属的成分，还通过激光冲击强化了金属表层，充分利用了各种工艺的优点。
本发明原理的创新在于利用激光冲击波即作为离子渗入的热源，又是冲击波强化是塑性变形的力源，使得金属表层呈现压应力状态，，确保了无损性。
本发明的创新还在于纳米材料柔性贴膜的制备，即含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜的制备方法如下：将需要渗入的元素的纳米颗粒、有机硅凝胶和氰基丙烯酸酯按照质量比2∶1∶1的比例在70-90℃反应10min～30min，冷却以后形成具有厚度为1-2mm柔性贴膜，其制备过程如下：
(1)将需要渗入的元素的纳米颗粒、有机硅凝胶和添加剂按照质量比2∶1∶1的比例混合好，放在真空环境中排掉气泡；
(2)将上述材料放在模具内，加热到70-90℃，充分搅拌均匀；
(3)冷却以后，从模具中取出，表面封装，形成纳米材料柔性贴膜。
本发明具有以下优势：
(1)激光束作为金属基体表面离子渗入的热源和力源，属于非接触式加工，工艺简单。激光冲击参数精确可控，重复性好，冲击强化的效果均匀，冲击波可雕刻表面实现一次或多次强化直到满足要求为至，冲击后无需再处理，是绿色的加工方式。
(2)利用光斑调节光学镜片控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光在空间上均匀分布，用掩模装置控制激光光斑形状，将作用在金属基体表面的激光调整为正方形光斑形状，能够解决激光冲击中光斑搭接问题，制备性能均一的表层结构。
(3)纳米材料柔性贴膜，可以方便粘附在金属基体上，作为激光冲击用的吸收层和渗入金属基体表层的离子源。
(4)激光冲击波辅助离子渗入金属基体的方法即能够起到改变金属表层元素成分，又能强化金属表层的双层效果。对金属基体表面采用该方法进行处理，能够生成良好性能的表面层，大幅度提高金属结构件的性能。
附图说明
图1为激光冲击波辅助离子渗入金属基体装置的示意图。
图中1.计算机控制装置 2.纳秒激光发生器 3.激光束 4.45°全反镜 5.调节光斑光学镜片 6.掩模装置 7.基片 8.水槽 9.水膜 10.纳米材料柔性贴膜 11.金属基体 12.工件夹具 13.五轴工作台 14.监测装置
图2为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金的元素成分比较图。其中(a)为未处理试样的XRD分析(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样的XRD分析。
图3为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金前后磨损试样微观形貌比较图。其中(a)为未处理试样(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样。
图4为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金前后磨损量比较图。其中(a)为未处理试样(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明进行激光冲击波辅助离子渗入金属基体装置包括依次相连的计算机控制装置(1)、纳秒激光发生器(2)、激光束(3)、45°全反镜(4)、光斑调节光学镜片(5)、掩模装置(6)、基片(7)、水槽(8)、水膜(9)、纳米材料柔性贴膜金属(10)、基体(11)、工件夹具(12)、五轴工作台(13)和监测装置(14)。
纳秒激光发生器(2)发出能量在1-50焦耳、持续时间为8-30纳秒的激光脉冲，激光束(3)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由计算机控制装置(1)调节和控制。由纳秒激光发生器(2)产生的激光束(3)通过45°全反镜(5)改变激光束(3)的方向，通过光斑调节光学镜片(5)精确控制光斑空间能量分布，经过掩模装置(6)控制输出激光的光斑形状，透明的基片(7)用来托住光斑调节光学镜片(5)和掩模装置(6)。激光束(3)继续穿透纳米材料柔性贴膜(10)上方均匀的水膜(9)，纳米材料柔性贴膜(10)吸收激光束(3)的能量汽化、电离形成冲击波，产生纳米材料等离子体，在水膜(9)的约束下，将纳米材料离子渗入到金属基体(11)的表面。通过计算机控制装置(1)可以控制五轴工作台(13)上的工件夹具(12)夹持的金属基体(11)。监测装置(14)用来监测纳米材料柔性贴膜(10)上方水膜(9)的厚度以及监测激光束(3)和纳米材料柔性贴膜(10)的夹角，监测数据返回计算机控制装置(1)，作为用来控制五轴工作台(13)和调节纳秒激光发生器(2)的工艺参数的依据。计算机控制装置(1)控制五轴工作台(13)控制金属基体(11)移动，按区域分片加工，直到整个金属基体(11)目标表面加工完成。
实施实例：
以下为激光冲击波辅助离子渗入金属基体实例，采用激光发生器在AM50镁合金表面进行激光冲击波辅助Al离子渗入金属基体，将Al纳米颗粒、有机硅凝胶和添加剂按照质量比2∶1∶1的比例在70-90℃反应20min，冷却以后形成具有厚度为2mm柔性贴膜。重复频率为0.5Hz的Nd:glass激光光斑直径为3mm，脉冲能量为15J，激光波长为1054nm，激光脉冲宽度为20ns。磨损实验在UMT-2微摩擦磨损实验机上进行，采用球-平面往复干摩擦方式，实验在大气和室温环境下进行，室温18℃，相对湿度65％。对磨偶件采用直径为4mm，硬度为HRC 62的440-C不锈钢球，加载0.1N，行程5mm，往复频率1Hz，时间20min。磨损实验后，并用JSM-6480型扫描电镜对磨痕表面进行观察与分析。
图2为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金的元素成分比较图。其中(a)为未处理试样的XRD分析(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样的XRD分析。可以看出经过激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金后AM50镁合金Al元素的含量从4.99％上升到5.61％。
图3为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金前后磨损试样微观形貌比较图。其中(a)为未处理试样(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样。可以看出经过激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金的磨痕宽度为345um比未处理试样要小。
图4为激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金前后磨损量比较图。其中(a)为未处理试样(b)激光冲击波辅助Al离子渗入后试样。可以看出经过激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金的磨损体积要小30-35％。
激光冲击波辅助Al离子渗入AM50镁合金后Al元素的含量增加16％，明显增加AM50镁合金的耐磨性能。
Claims (3)
1.一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体的方法，其特征在于：利用激光将贴在金属基体上方的含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜汽化、电离生成需要渗入金属基体的材料的离子，在冲击波的作用下，将离子渗入到金属基体表层，并且对表层激光冲击强化。
2.权利要求1所述的方法，具体步骤如下：
(1)根据金属基体(11)表层加工区域要求，通过计算机控制装置(1)编程生成加工轨迹；确定激光工艺参数；
(2)利用光斑调节光学镜片(5)控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光束(3)在空间上均匀分布；
(3)用掩模装置(6)控制激光光斑形状，将作用在金属基体(11)表面的激光为正方形光斑形状；
(4)利用监测装置(14)来监测纳米材料柔性贴膜(10)上方水膜的厚度以及监测激光束(3)和纳米材料柔性贴膜(10)的夹角，监测数据返回计算机控制装置(1)；
(5)将要渗入金属基体(11)的元素，制备成含有该元素的纳米材料柔性贴膜(10)，并粘附在金属基体(11)上，作为激光冲击用的吸收层和渗入金属基体(11)表层的离子源；
(6)计算机控制装置(1)根据监测装置(14)反馈回来的数据并行控制纳秒激光发生器(2)和五轴工作台(13)，确保水膜(9)为1-2mm并保持厚度均匀，并使得金属基体(11)表面加工点和激光束(3)垂直，实现金属基体(11)表层的加工。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于：含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜的制备方法如下：将需要渗入的元素的纳米颗粒、有机硅凝胶和氰基丙烯酸酯按照质量比2∶1∶1的比例在70-90℃反应10min～30min，冷却以后形成具有厚度为1-2mm的柔性贴膜。
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