CN103920999A

CN103920999A - 一种磁控激光仿生复合强化方法

Info

Publication number: CN103920999A
Application number: CN201310716814.0A
Authority: CN
Inventors: 崔承云; 崔熙贵; 周建忠; 许晓静; 姜银方
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103920999B

Abstract

本发明公开了一种磁控激光仿生复合强化方法，涉及金属材料的表面改性。其主要步骤为：1)将金属材料表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；2)将金属材料表面进行磁控激光仿生熔凝，获得仿生强化熔凝轨迹；3)将吸收层和约束层设置在熔凝轨迹上；4)沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，获得复合强化的仿生结构表面。本发明结合磁致搅拌效应，集激光热力效应的优点于一体，在金属表面制备仿生强化结构，综合调控仿生强化区的微观组织结构和残余应力，产生细晶强化与应力强化的复合强化效果，显著提高金属材料表面耐磨、抗疲劳等性能。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

Description

一种磁控激光仿生复合强化方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，特指一种磁控激光仿生复合强化方法。

背景技术

金属零部件在工程应用过程中常因为磨损或疲劳而发生失效，这些失效形式通常源于表面。因此，提高金属零部件表面的耐磨性和抗疲劳性能对于延长其使用寿命是非常重要的，这将产生巨大的经济和社会效益，提高工程应用安全性。

表面改性是提高零部件表面性能的有效方法，目前已发展了许多表面改性方法，这些方法大都通过改变材料表面整体成分和组织来实现其表面性能的提高。随着仿生技术的发展，人们开始在材料表面制备仿生结构，以使其表面获得生物所具备的一些特殊性能。表面仿生结构一般通过表面微造型的方法来制备，常用的表面微造型方法有激光加工及复合加工等，这些方法虽然能够提高零部件表面性能，但是其对加工设备和加工精度的要求都比较高，而且是在改变零部件局部尺度的条件下实现的。

与本发明最接近的技术是仿生耦合激光重熔技术。仿生耦合激光重熔技术是通过激光熔凝的方式在金属零部件表面加工出不同组织和性能的增强单元体，形成由金属基体和激光熔凝区组成的软硬相间的非均匀仿生表面，以提高零部件表面的耐磨性和抗疲劳性能。但是，该方法是借助激光的热效应通过快速熔凝获得的增强单元体，不仅会使熔凝增强单元体的内部组织不均匀，而且容易在熔凝区、熔凝搭接区或者熔凝交叉区产生长窄裂纹，出现早期失效。另外，激光热效应通常会使表面形成残余拉应力，加速失效裂纹的扩展，进一步降低零部件表面耐磨性和抗疲劳性能。

针对现有方法存在的问题，本发明提出一种磁控激光仿生复合强化方法。结合磁致搅拌效应，采用磁控激光熔凝与激光喷丸相结合的复合方法综合调控仿生强化区的微观结构与应力状态，制备出集细晶强化与应力强化于一体的复合强化仿生表面，显著提高金属材料表面性能。此工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

发明内容

本发明的目的是为解决现有方法存在的问题，提供一种磁控激光仿生复合强化方法，其通过磁控激光熔凝与激光喷丸相结合的复合方法综合调控金属材料表面仿生强化区的微观结构与应力状态，消除裂纹等缺陷，产生细晶强化与应力强化的协同作用，进一步提高仿生强化区的性能，从而显著改善金属材料表面性能，推动其工程应用。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用磁控激光熔凝与激光喷丸相结合的复合方法制备高性能的仿生强化区，借助磁致搅拌效应进一步细化并均匀化激光熔凝仿生强化区的微观组织，并通过激光喷丸调控仿生强化区的表面残余应力，使其产生细晶强化与应力强化的复合强化作用，从而显著提高金属材料仿生表面的性能。具体步骤为：

1) 将金属材料表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；

2) 将金属材料表面进行磁控激光仿生熔凝，获得仿生强化熔凝轨迹；

3) 将吸收层和约束层设置在熔凝轨迹上；

4) 沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，获得复合强化的仿生结构表面。

所述的金属材料为金属铝、铝合金、金属镁、镁合金、金属铜、铜合金、金属钛、钛合金、金属镍、镍合金、铸铁或钢。

所述的磁控激光仿生熔凝采用的磁场为旋转磁场，磁场强度为0.5-2T。

所述的磁控激光仿生熔凝的激光参数为：激光能量为0.5-10J，脉冲宽度为1-20ms，脉冲频率为1-20HZ，光斑直径为0.5-1mm，扫描速度为0.4-1mm/s。

所述的仿生强化熔凝轨迹为离散的点状、间隔的平行直线条纹状或交叉的网格状三种形式。

所述的吸收层为黑漆或铝箔，约束层为流水。

所述的铝箔厚度为20-50μm。

所述的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm²，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为0.5-1mm，搭接率为20%-80%。

本发明的优点在于：磁控激光熔凝是在激光熔凝的同时施加外磁场，其结合了磁场与激光熔凝的综合优势，施加的磁场能够在激光熔凝的过程中产生磁搅拌的作用，改变熔池中液态金属的传质和传热过程，抑制柱状晶的形成，细化及均匀化熔池内晶粒组织，消除熔凝缺陷；激光喷丸能够在进一步细化熔凝区组织的同时，将激光熔凝产生的表面残余拉应力转变成残余压应力，调控表面应力状态，而且能够闭合已形成的熔凝裂纹，避免早期失效。此外，本发明加工柔性高，可控性好，适应性强，协同强化效果明显，而且工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

具体实施方式

本发明中磁控激光仿生复合强化是通过磁控激光熔凝与激光喷丸相结合的复合方法实现的。首先将金属材料表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗干净，然后采用磁控激光熔凝方法对金属材料表面进行熔凝仿生处理，获得仿生强化熔凝轨迹，最后将吸收层和约束层设置在熔凝轨迹上，采用激光喷丸处理仿生强化熔凝轨迹，获得复合强化的仿生结构表面。采用本发明能够有效调控仿生强化区的微观结构与应力状态，制备出集细晶强化与应力强化于一体的复合强化仿生表面，显著提高金属材料表面性能，推动其工程应用。

实施例1：

1) 将RT300铸铁表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；

2) 将铸铁表面在0.5T旋转磁场下进行磁控激光仿生熔凝，激光能量为0.5J，脉冲宽度为1ms，脉冲频率为20HZ，光斑直径为1mm，扫描速度为0.4mm/s，获得间隔的条纹状仿生强化熔凝轨迹；

3) 将50μm铝箔作为吸收层贴附在熔凝轨迹表面，并用流水作为约束层；

4) 沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，激光功率密度为1GW/cm²，激光脉宽为5ns，光斑直径为1mm，搭接率为20%，获得复合强化的仿生结构表面。

采用显微硬度仪和X射线应力仪分别测定磁控激光仿生复合强化区与激光仿生熔凝强化区的显微硬度和残余应力，结果表明，磁控激光仿生复合强化区的硬度较激光仿生熔凝强化区的硬度提高约13%，而且表面残余应力由拉应力转变为压应力，其值约为-151.3MPa，可见采用本发明制得的仿生复合强化表面的性能得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的仿生表面。

实施例2：

1) 将5CrMnMo钢表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；

2) 将钢表面在2T旋转磁场下进行磁控激光仿生熔凝，激光能量为10J，脉冲宽度为20ms，脉冲频率为1HZ，光斑直径为0.5mm，扫描速度为1mm/s，获得离散的点状仿生强化熔凝轨迹；

3) 将黑漆作为吸收层涂覆在熔凝轨迹表面，并用流水作为约束层；

4) 沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，激光功率密度为10GW/cm²，激光脉宽为40ns，光斑直径为0.5mm，搭接率为80%，获得复合强化的仿生结构表面。

采用显微硬度仪和X射线应力仪分别测定磁控激光仿生复合强化区与激光仿生熔凝强化区的显微硬度和残余应力，结果表明，磁控激光仿生复合强化区的硬度较激光仿生熔凝强化区的硬度提高约10%，而且表面残余应力由拉应力转变为压应力，其值约为-135.6MPa，可见采用本发明制得的仿生复合强化表面的性能得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的仿生表面。

实施例3：

1) 将5A02铝合金表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；

2) 将铝合金表面在1T旋转磁场下进行磁控激光仿生熔凝，激光能量为5J，脉冲宽度为10ms，脉冲频率为10HZ，光斑直径为0.7mm，扫描速度为0.8mm/s，获得交叉的网格状仿生强化熔凝轨迹；

3) 将20μm铝箔作为吸收层贴附在熔凝轨迹表面，并用流水作为约束层；

4) 沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，激光功率密度为5GW/cm²，激光脉宽为25ns，光斑直径为0.7mm，搭接率为50%，获得复合强化的仿生结构表面。

采用显微硬度仪和X射线应力仪分别测定磁控激光仿生复合强化区与激光仿生熔凝强化区的显微硬度和残余应力，结果表明，磁控激光仿生复合强化区的硬度较激光仿生熔凝强化区的硬度提高约17%，而且表面残余应力由拉应力转变为压应力，其值约为-169.2MPa，可见采用本发明制得的仿生复合强化表面的性能得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的仿生表面。

Claims

1.一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，采用磁控激光熔凝与激光喷丸相结合的复合方法制备仿生强化表面，通过磁场与激光热力复合效应综合调控仿生强化区的微观结构与应力状态，制备出集细晶强化与应力强化于一体的复合强化仿生表面；具体步骤为：

A) 将金属材料表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；

B) 将金属材料表面进行磁控激光仿生熔凝，获得仿生强化熔凝轨迹；

C) 将吸收层和约束层设置在熔凝轨迹上；

D) 沿熔凝轨迹进行激光喷丸处理，获得复合强化的仿生结构表面。

2. 根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤A)的金属材料为金属铝、铝合金、金属镁、镁合金、金属铜、铜合金、金属钛、钛合金、金属镍、镍合金、铸铁或钢。

3.根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤B)的磁控激光仿生熔凝采用的磁场为旋转磁场，磁场强度为0.5-2T。

4.根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤B)的磁控激光仿生熔凝的激光参数为：激光能量为0.5-10J，脉冲宽度为1-20ms，脉冲频率为1-20HZ，光斑直径为0.5-1mm，扫描速度为0.4-1mm/s。

5.根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤B)的仿生强化熔凝轨迹为离散的点状、平行间隔的直线条纹状或交叉的网格状三种形式。

6.根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤C)的吸收层为黑漆或铝箔，约束层为流水。

7.根据权利要求6所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述的铝箔厚度为20-50μm。

8.根据权利要求1所述的一种磁控激光仿生复合强化方法，其特征在于，所述步骤D)的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm²，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为0.5-1mm，搭接率为20%-80%。