CN102776521A - 基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法与装置，本装置包括激光喷丸强化系统、加热系统、冷却系统和工作台。首先，对钛合金在高温160°C~240°C进行激光喷丸强化，再将85%~95%BC₄粉末与5%~15%氧化铈粉末混合，预置在钛合金表面，在800°C~900°C对钛合金进行稀土共渗3~5个小时，最后，将渗硼后的钛合金冷却至-150°C~-190°C，然后再进行激光冲击强化。本发明降低了传统工艺渗硼温度，增加渗硼层的厚度，加强了渗硼层与钛合金基体的结合强度，提高了钛合金表面硬度以及耐磨损、疲劳寿命等性能。

Description

基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面渗硼方法及其装置，尤其是一种钛合金表面低温渗硼方法及其装置，具体地说是一种基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法及其装置。

背景技术

众所周知，钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好、耐热性能优良、无磁等一系列特性而广泛应用于石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域，并已成为新工艺和新设备不可缺少的金属材料。然而，钛合金的耐磨损性能较差，极大地限制了其更广泛的应用。

表面耐磨处理技术是提高钛合金耐磨性能行之有效的方法，目前已经发展了多种钛合金表面耐磨处理工艺，包括气相沉积、热渗镀、热喷涂、离子注入及微弧氧化等。其中，渗硼处理，不仅所形成的表面改性层具有良好的耐磨损、抗摩擦和耐腐蚀性，而且具有工艺简单易实施、对基体材料要求不高等特点，故受到了钛合金表面耐磨处理领域专家学者的重视。但是，目前钛合金表面渗硼处理通常是在高温（1000℃～1200℃）下进行，存在着易引起钛合金相组织变化造成其力学性能下降、渗硼层脆性较大且缺陷较多等问题。因此，钛合金低温渗硼成为业内追求的目标之一。但是，众所周知，当渗硼温度降低到1000℃以下，硼不易扩散到钛合金中去，故所获得的渗硼层厚度很薄（有文献报道其仅为25μm左右），其实用价值尚不够理想。

因此，到目前为止，尚未有一种能够有效克服前述不足的钛合金表面低温渗硼方法及其装置可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钛合金表面低温渗硼时效果差，渗层深度不能满足要求的问题，发明一种激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法及其装置，利用激光喷丸的高功率密度、短脉冲强激光冲击作用，增加硼扩散通道以及减少钛合金表面渗硼层缺陷，在低温条件下实现在钛合金表面上获得厚度较大且品质优良的渗硼层，从而提高钛合金表面的耐磨性能进而推动钛合金更广泛的应用。

一种基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对钛合金在高温下进行激光喷丸预处理，使其表面晶粒细化且形成大量的致密位错；所述的高温下进行激光喷丸预处理时应首先清洁钛合金表面，并使用铝箔作为吸收层、耐高压玻璃作为约束层；然后，采用钕玻璃调Q激光器，设置脉冲宽度为20~30ns、波长为1064nm、脉冲能量为8~13J、光斑半径为3~5mm对钛合金表面进行激光喷丸预处理，控制喷丸预处理工作温度为160°C~240℃；

其次，将由85%~95%BC₄粉末与5%~15%氧化铈粉末混合的渗硼剂置于经激光喷丸预处理后的钛合金表面，在800°C~900℃进行3~5小时渗硼处理；

最后，将渗硼后的钛合金冷却至-150°C~-190°C，然后再进行低温激光喷丸强化即可。

所述的作为吸收层的铝箔的厚度25~40微米。

所述的低温激光喷丸强化包括先在经过高温渗硼处理后的钛合金表贴上铝箔，并用耐高压玻璃作为约束层，一起置于液氮存储槽中，降温至-150°C~-190°C后，采用钕玻璃调Q激光器，控制激光脉冲宽度20~30ns、波长是1064nm、脉冲能量为8~13J、光斑半径为3~5mm进行激光喷丸强化。

一种基于激光冲击辅助的钛合金表面低温渗硼装置，其特征是包括：

一激光喷丸系统，该激光喷丸系统主要由Nd:YAG激光器1和反射镜3组成，它主要为高温激光喷丸和低温激光喷丸提供保障；

一高温激光喷丸系统，该高温激光喷丸系统主要由三维移动控制台13、加热平台8、加热系统11和计算机控制器10组成，所述的三维移动控制台A13在工作台控制器20的控制下由电动机19带动移动定位于前述反射镜3的下方，工作台A9安装在三维移动控制台A13上，受控于工作台控制器20，使得工作台A13能在小范围内运动，加热平台8安装在工作台A9上并受控于加热系统11，加热系统受控于计算机控制器10，钛合金基体6安装在加热平台8上，铝箔吸收层5置于钛合金基体6的表面，耐高压玻璃4覆于铝箔吸收层5之上；

一高温渗硼装置，它用于使经激光喷丸预处理后的钛合金在800°C~900℃进行渗硼处理；

一低温激光喷丸系统，该低温激光喷丸系统包括三维移动控制台B21、工作台B22、液氮存储槽18和液氮罐17组成，三维移动控制台B21工作时，由前述的工作台控制器20控制，在电动机19的驱动下移动至前述三维移动控制台A13的位置处即反射镜3的下方，工作台B22安装在三维移动控制台B21上，受控于工作台控制器20，使得工作台B22能在小范围内运动，液氮存储槽18安装在工作台B22上，液氮存储槽18和液氮罐17通过液氮导流管14相连，流量控制阀15安置在液氮导流管14上并靠近液氮罐17一端，通过调节增压阀16和流量控制阀15使得液氮通过液氮导流管14输送到液氮存储槽18里，由经过高温渗硼的钛合金及覆盖在钛合金表面的铝箔吸收层、耐高压玻璃组成的待低温强化组合体安装在液氮存储槽18中。

  所述的加热平台上安装有测量加热温度的温度传感器7。

所述的电动机19连接有电动机控制器12。

本发明的有益效果：

（1）渗硼前在高温下进行激光喷丸预处理，由于160°C~240°C已经达到TC4钛合金的动态应变时效温度比室温下进行激光喷丸预处理更能产生强塑性变形和高密度位错，表面存在大量晶界，可以加速B原子扩散，从而形成较厚的渗硼层；渗硼层深度可达到85微米以上，超出了现有的高温渗硼所能达到的深度，是现有的低温渗硼的几倍。

（2）由于在进行渗硼之前进行了高温下激光喷丸，产生了大量利于B原子扩散的通道，因而可以使得渗硼工艺在低于钛合金金相组织温度进行，从钛合金相变带来的不利影响；

（3）渗硼结束后再进行低温激光冲击强化，可以有效细化渗硼层晶粒，产生致密的纳米级组织，提高钛合金的力学性能，同时加强渗硼层和基体的结合强度，；

（4）本发明使用液氮作为冷却液，无毒，无味，可以减少环境污染；

（5）本发明采用的是激光冲击强化，清洁，高效，易于控制，具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的渗硼装置的组成结构示意图。

图中，1、Nd:YAG激光器；2、激光束；3、反射镜；4、耐高压玻璃；5、铝箔吸收层；6、钛合金试样；7、温度传感器；8、加热平台；9工作台A；10、计算机控制器；11、加热系统；12、电动机控制器；13、三维移动控制台A；14、液氮导流管；15、流量控制阀；16、增压阀；17、液氮罐；18、液氮存储槽；19、电动机；20、工作台控制器；21、三维移动控制台B；22、工作台B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。本发明的整个装置主要由激光喷丸系统、加热系统、冷却系统、三维移动控制台13、电动机19、电动机控制器12以及温度传感器7组成，其中，激光喷丸系统主要包括Nd:YAG激光器1、计算机控制器10、工作台9；加热系统11与计算机控制器10和温度传感器7通过导线相连，加热系统11上有温度显示屏幕，温度传感器7固定在加热平台8上，加热平台8置于工作台9上，工作台9置于三维移动控制台13上，三维移动控制台13与电动机19相连，电动机19接于电动机控制器12上，可以适时的通过电动机19控制三维移动控制台13的移动；冷却系统包括液氮存储槽18、液氮罐17、液氮导流管14、增压阀16以及流量控制阀15，其中，液氮导流14与液氮存储槽18和液氮罐17相连，流量控制阀15安置在液氮导流管14上并靠近液氮罐17一端，通过调节增压阀16和流量控制阀15使得液氮通过液氮导流管14输送到液氮存储槽18里。将钛合金试样6进行去氧化处理、抛光、清洗后获得清洁表面，在钛合金表面贴上铝箔吸收层5（40μm），再覆上耐高压玻璃4作为约束层，完成后将上述钛合金试样6固定在温度传感器7上，打开加热系统11设定好与工作温度（160°C~240°C），加热平台8通过温度传感器7将温度传导给TC4钛合金6，当加热系统11上温度显示屏幕达到设定温度时，停止加热，打开Nd:YAG激光器1，设置激光器参数：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20~30ns，波长是1064nm，脉冲能量为8~13J，光斑半径为3~5mm，使得Nd:YAG激光器1发出的激光束2经反射镜3打到钛合金试样6上，同时调节计算机控制器10设定激光器参数，并通过工作台控制器20控制工作台9按照预定的轨迹小范围运动，对钛合金试样6进行激光喷丸预处理，激光喷丸预处理使其表面晶粒细化且形成大量的致密位错后，关闭Nd:YAG激光器1；待喷丸后的试样空冷至室温后，通过电动机控制器12控制电动机19使得三维移动控制台13向左移动，直至移出激光喷丸区域，取下钛合金试样6，耐高压玻璃4和铝箔吸收层5，将85%~95%BC4粉末与5%~15%氧化铈粉末混合，预置在钛合金6表面，一起放入不锈钢罐内，放入加热炉内加热至800°C~900°C，保温3~5个小时，然后空冷却至室温；再次调节电动机控制器12控制电动机19使得三维移动控制台21向左移动，直至移到激光喷丸区域，手动将温度传感器7置于液氮存储槽18内，并固定好，再将渗硼后的钛合金6贴上铝箔吸收层5，覆上耐高压玻璃4，将上述钛合金6固定在温度传感器7上，打开流量控制阀15和增压阀16，使得液氮通过液氮导流管14输送到液氮存储槽18中，并观察加热系统11上温度显示屏幕上的温度，适时控制流量控制阀15控制液氮的流速，当温度降低到-150°C~-190°C时，关闭流量控制阀15和增压阀16，打开Nd:YAG激光器1，调节激光器参数：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20~30ns，波长是1064nm，脉冲能量为8~13J，光斑半径为3~5mm，同时通过工作台控制器20控制工作台22按照预定的轨迹小范围运动轨迹，在低温下对钛合金6进行激光喷丸强化，激光喷丸结束后关闭Nd:YAG激光器1取下钛合金试样6揭下铝箔吸收层5和耐高压玻璃4，并用酒精清洁其表面，即可完成基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼。

实施例。

取试样为10㎜×10㎜×6㎜的TC4钛合金，并对其进行去氧化处理，抛光，清洗后获得清洁表面，将TC4钛合金进行去氧化处理，抛光，清洗后获得清洁表面，在TC4钛合金表面贴上铝箔吸收层5（40um），再覆上耐高压玻璃4作为约束层，完成后将上述TC4钛合金固定在温度传感器7上，打开加热系统11设定好与工作温度（200°C），加热平台8通过温度传感器7将温度传导给TC4钛合金，当加热系统11上温度显示屏幕达到设定温度时，停止加热，打开Nd:YAG激光器1，设置激光器参数：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20ns，波长是1064nm，脉冲能量为10J，光斑半径为4mm，使得Nd:YAG激光器1发出的激光束2经反射镜3打到TC4钛合金上，调节计算机控制器10设定激光器参数，并通过工作台控制器20控制工作台9按照预定的轨迹小范围运动轨迹，对TC4钛合金进行激光喷丸强化，激光喷丸强化后，关闭Nd:YAG激光器1；待喷丸后的试样空冷至室温后，通过电动机控制器12控制电动机19使得三维移动控制台13向左移动，直至移出激光喷丸区域，取下TC4钛合金试样，耐高压玻璃4和铝箔吸收层5，将95%BC4粉末与5%氧化铈粉末混合（也可为85%的BC4粉末与15%氧化铈粉末混合，即BC4粉末的含量控制在85-95%之间，氧化铈粉末的含量控制在5-15%之间），预置在TC4钛合试样表面，一起放入不锈钢罐内，放入加热炉内加热至850°C，保温4个小时，然后空冷却至室温；再次调节电动机控制器12控制电动机19使得三维移动控制台21向左移动，直至移到激光喷丸区域，手动将温度传感器7置于液氮存储槽18内，并固定好，再将渗硼后的TC4钛合金贴上铝箔吸收层5，覆上耐高压玻璃4，将上述TC4钛合金6固定在温度传感器7上，打开流量控制阀15和增压阀16，使得液氮罐17中的液氮通过液氮导流管14输送到液氮存储槽18中，并观察加热系统11上温度显示屏幕上的温度，适时控制流量控制阀15控制液氮的流速，当温度降低到-170°C时，关闭流量控制阀15和增压阀16，打开Nd:YAG激光器1，调节激光器参数：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20ns，波长是1064nm，脉冲能量为10J，光斑半径为4mm，并通过工作台控制器20控制工作台22按照预定的轨迹小范围运动轨迹，在低温下对TC4钛合金进行激光喷丸强化，激光喷丸结束后关闭Nd:YAG激光器1取下TC4钛合金揭下铝箔吸收层5和耐高压玻璃4，并用酒精清洁其表面，即可完成基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼。测量其表面渗硼层厚度、硬度、摩擦磨损性能等。

实验完毕后，用硬度测试仪测得其渗层显微硬度、XRD测得其渗硼层厚度等；测得渗层显微硬度最大达到890HV，现有技术所得的渗层最大显微硬度为570HV；渗硼层厚度达到85μm，现有技术最大渗硼层厚度为25μm。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于激光喷丸辅助的钛合金表面低温渗硼方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对钛合金在高温下进行激光喷丸预处理，使其表面晶粒细化且形成大量的致密位错；所述的高温下进行激光喷丸预处理时应首先清洁钛合金表面，并使用铝箔作为吸收层、耐高压玻璃作为约束层；然后，采用钕玻璃调Q激光器，设置脉冲宽度为20~30ns、波长为1064nm、脉冲能量为8~13J、光斑半径为3~5mm对钛合金表面进行激光喷丸预处理，控制喷丸预处理工作温度为160°C~240℃；

其次，将由85%~95%BC₄粉末与5%~15%氧化铈粉末混合的渗硼剂置于经激光喷丸预处理后的钛合金表面，在800°C~900℃进行3~5小时渗硼处理；

最后，将渗硼后的钛合金冷却至-150°C~-190°C，然后再进行低温激光喷丸强化即可。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的作为吸收层的铝箔的厚度25~40微米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的低温激光喷丸强化包括先在经过高温渗硼处理后的钛合金表贴上铝箔，并用耐高压玻璃作为约束层，一起置于液氮存储槽中，降温至-150°C~-190°C后，采用钕玻璃调Q激光器，控制激光脉冲宽度20~30ns、波长是1064nm、脉冲能量为8~13J、光斑半径为3~5mm进行激光喷丸强化。

4.一种基于激光冲击辅助的钛合金表面低温渗硼装置，其特征是包括：

一激光喷丸系统，该激光喷丸系统主要由激光器（1）和反射镜（3）组成，它主要为高温激光喷丸和低温激光喷丸提供保障；

一高温激光喷丸系统，该高温激光喷丸系统主要由三维移动控制台（13）、加热平台（8）、加热系统（11）和计算机控制器（10）组成，所述的三维移动控制台A（13）在工作台控制器（20）的控制下由电动机（19）带动移动定位于前述反射镜（3）的下方，工作台A（9）安装在三维移动控制台A（13）上，受控于工作台控制器（20），使得工作台A（13）能在小范围内运动，加热平台（8）安装在工作台A（9）上并受控于加热系统（11），加热系统受控于计算机控制器（10），钛合金基体（6）安装在加热平台（8）上，铝箔吸收层（5）置于钛合金基体（6）的表面，耐高压玻璃（4）覆于铝箔吸收层（5）之上；

一高温渗硼装置，它用于使经激光喷丸预处理后的钛合金在800°C~900℃进行渗硼处理；

一低温激光喷丸系统，该低温激光喷丸系统包括三维移动控制台B（21）、工作台B（22）、液氮存储槽（18）和液氮罐（17）组成，三维移动控制台B（21）工作时，由前述的工作台控制器（20）控制，在电动机（19）的驱动下移动至前述三维移动控制台A（13）的位置处即反射镜（3）的下方，工作台B（22）安装在三维移动控制台B上，受控于工作台控制器（20），使工作台B（22）能在小范围内运动，液氮存储槽（18）安装在工作台B（22）上，液氮存储槽（18）和液氮罐（17）通过液氮导流管（14）相连，流量控制阀（15）安置在液氮导流管（14）上并靠近液氮罐（17）一端，通过调节增压阀（16）和流量控制阀（15）使得液氮通过液氮导流管（14）输送到液氮存储槽（18）里，由经过高温渗硼的钛合金及覆盖在钛合金表面的铝箔吸收层、耐高压玻璃组成的待低温强化组合体安装在液氮存储槽（18）中。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的加热平台上安装有测量加热温度的温度传感器（7）。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的电动机（19）连接有电动机控制器（12）。

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