CN105463179A - 一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法 - Google Patents

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乔红超
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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing

Abstract

本发明涉及一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，包括以下步骤：基体材料前处理；加工表面覆盖吸收层；基体金属表面覆盖吸收层；基体金属表面施加约束层；对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理；对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿；基体金属材料后处理；加工表面覆盖吸收层为：在洁净间中，取一张薄板，中间剪出需要的大小及形状的开口；薄板贴附于吸收层表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒；将多余部分清理干净，使吸收层表面形与薄板同厚的颗粒涂覆层。本发明明显改变了基材金属表面的晶体结构、取向分布和金属表面元素成分，有效提高了金属表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性能以及耐腐蚀性能，操作简单，成本低。

Description

一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面改性技术，具体的说是一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法。
背景技术
表面完整性控制技术通常是高性能零件制造的最后一道工序，也是最为关键的一道工序。其目的是提高大型精密零件的表面质量及其力学性能，从而使零件达到预期的使用性能。大型精密零件不但要求尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等，也要求精密零件的最终力学性能和化学性能，包括抗疲劳强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性能等，并最终影响零件的装配及使用性能。而为提高零件力学/化学性能，相继发展了机械喷丸、超声喷丸、机械滚压、液力挤压、激光冲击强化等表面强化方法，使得零件的表面及次表面产生均匀的压应力层，改善零件的表面组织结构。这些技术在航空航天领域常用于发动机叶片、整体叶盘等精密零件的表面强化，成为提高该类零件表面力学及化学性能的不可替代的方法。
目前，激光冲击强化能够加工复杂的曲面零件，能够对复杂的曲面零件局部进行精准表面改性，而传统的方式无法实现。
发明内容
针对现有技术中对于曲面零件局部进行精准表面改性，应用传统的方法无法实现这一不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可以有效地提高金属表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性能以及耐腐蚀性能的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，包括以下步骤：
基体材料前处理；
加工表面覆盖吸收层；
基体金属表面覆盖吸收层；
基体金属表面施加约束层；
对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理；
对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿；
基体金属材料后处理。
加工表面覆盖吸收层包括以下步骤：
在洁净间中，取一张薄板，中间剪出需要的大小及形状的开口；
薄板贴附于吸收层表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒；
将多余部分清理干净，使吸收层表面形与薄板同厚的颗粒涂覆层；
基体金属表面覆盖吸收层为：在基体金属表面即靶材的工作端面覆盖涂覆纳米颗粒的吸收层。
基体金属表面施加约束层为：
将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层，该约束层为透光玻璃或去离子水中的一种。
对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理步骤为：
施加约束层后的基体金属表面面朝向激光束，以激光脉宽为20-40ns、激光波长为1064、激光光束直径为2-3mm、激光能量为1-5J、重复频率为2Hz的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为10％，冲击1-2遍；
对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿处理的步骤为：
预冲击延寿处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为10-20ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为2-3mm、激光能量为2-10J、重复频率为1～2Hz的激光束进行冲击处理，其中搭接率为30％左右，冲击2-4遍。
基体材料在加工表面覆盖吸收层之前，基体材料的吸收层需要前处理，基体材料前处理为：基体金属进行机械抛光，然后用75％的酒精清洗表面，烘干。
基体金属材料后处理包括：
去除靶材金属表面黏贴的吸收层(表面涂覆纳米颗粒)；
将经冲击延寿处理后的基体金属放入装有温度为20±2℃、酒精浓度为75％的超声清洗机中，超声频率为35-55kHz，清洗10-15min；
基材金属表面冲击处理使用的激光能量为基材金属表面冲击预处理使用的激光能量的二倍，脉宽为预处理的一半，即能量密度提高4倍。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透是一种新型的表面改性工艺，利用激光诱导等离子体冲击波压力使纳米颗粒瞬间形成离子，在强大的冲击波的作用下，在常温下实现纳米颗粒渗入金属基材表面，明显的改变了基材金属表面的晶体结构和取向分布，改变了金属表面元素成分，可以有效地提高金属表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性能以及耐腐蚀性能。
2.本发明实现激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透，大幅提高基体金属材料表面的表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性，该方法操作简单，成本低，绿色无污染，强化效果显著。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明方法中实现纳米颗粒渗入机理示意图。
其中，1为基体材料，2为纳米涂层，3为吸收层，4为约束层，5为激光束。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法包括以下步骤：
基体材料前处理；
加工表面覆盖吸收层；
基体金属表面覆盖吸收层；
基体金属表面施加约束层；
对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理；
对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿；
基体金属材料后处理。
本发明激光诱导等离子体冲击波压力实现纳米颗粒渗入机理示意图如图2所示。
实施例1
试件材料：6082铝合金(200mm×100mm×3mm)，纳米金属颗粒为镍合金；
对基体金属进行机械抛光，然后用75％的酒精清洗表面，烘干；
在洁净间中，制备0.1mm厚的塑料薄板中间剪出10mm×50mm(根据实际需要可以调整)，薄板贴附于吸收层(本实施例为黑色胶带)表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒，然后将多余部分清理干净，使吸收层表面形成0.1mm后的颗粒涂覆层；
然后在基体金属的抛光表面覆盖涂覆纳米颗粒的吸收层；
在基体金属表面施加约束层：将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为2mm的约束层，约束层为2mm去离子水；
对基材金属进行渗透预冲击处理：以激光脉宽为24ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为3mm、激光能量为3J、重复频率为2Hz的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为10％，冲击2遍，每次冲击后更换新的黑色胶带(表面涂覆一层1mm的纳米颗粒)；
对基材金属渗透冲击处理：激光预处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为12ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为3mm、激光能量为6J、重复频率为2Hz的激光束进行冲击处理，其中搭接率为30％左右，冲击2遍，每次冲击后更换新的黑色胶带(表面涂覆一层1mm的纳米颗粒)。
最后对基材金属激光后处理，去除靶材金属表面黏贴的吸收层(表面涂覆纳米颗粒)，将经冲击延寿处理后的基体金属放入装有温度为20±2℃、酒精浓度为75％的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗，最后用100℃的干燥箱烘干5min。
制备显微硬度、疲劳寿命和耐磨损标准试样，进行相关力学性能测试。
实施例2
对TC4钛合金进行机械抛光，然后用75％的酒精清洗表面，烘干；
试件材料：TC4钛合金(100mm×100mm×2mm)，纳米金属颗粒为碳化钨(WC)；
在洁净间中，制备0.1mm厚的塑料薄板中间剪出10mm×50mm(根据实际需要可以调整)，薄板贴附于吸收层(本实施例为黑色胶带)表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒，然后将多余部分清理干净，使吸收层表面形成0.1mm后的颗粒涂覆层；
然后在TC4钛合金的抛光表面覆盖涂覆纳米颗粒的吸收层；
在TC4钛合金表面施加约束层，将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1.5mm的约束层，约束层为1.5mm去离子水中；
对基材金属进行渗透预冲击处理，以激光脉宽为24ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为3mm、激光能量为5J、重复频率为2Hz的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为10％，冲击2遍，每次冲击后更换新的黑色胶带(表面涂覆一层1mm的纳米颗粒)；
对基材金属渗透冲击处理，激光预处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为12ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为3mm、激光能量为10J、重复频率为2Hz的激光束进行冲击处理，其中搭接率为30％左右，冲击2遍，每次冲击后更换新的黑色胶带(表面涂覆一层1mm的纳米颗粒)。
最后对基材金属激光后处理，去除靶材金属表面黏贴的吸收层(表面涂覆纳米颗粒)，将经冲击延寿处理后的基体金属放入装有温度为20±2℃、酒精浓度为75％的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗，最后用100℃的干燥箱烘干5min。
制备显微硬度、疲劳寿命标准试样，进行相关力学性能测试。
将以上实施例1、2处理后的等离子体冲击波压力纳米颗粒金属渗入做显微硬度试验和疲劳寿命试验。
显微硬度试验：采用FM-300型数字显微硬度仪测量试件激光冲击强化部位表面的显微硬度分布，设定载荷大小为0.1N，保荷时间为10s，每个样品测5个点，取平均值，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。
延长寿命试验：采用XDL-5000N疲劳试验机，铝合金常温拉拉疲劳试验，拉应力为140MPa，加载频率为，每组实验测试10组，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。；钛合金常温拉拉疲劳试验，拉应力为270MPa，加载频率为每组实验测试10组，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。
上述实施例1、2等离子体冲击波压力纳米颗粒金属渗入表面显微硬度与寿命如表1、2所示
表1实施例1显微硬度及寿命的对比
序号 显微硬度(HV) 寿命
未冲击处理前 236 1.8×106
激光冲击 252 1.2×107
实施例1 278 6.2×107
表2实施例2显微硬度及寿命的对比
序号 显微硬度(HV) 寿命(h)
未冲击处理前 321 2.1×106
激光冲击 336 1.8×107
实施例2 352 5.7×107
从表1、2的试验数据中可知，基体金属在激光冲击后，显微硬度得到了明显提高，使用寿命也大幅提高。
实施例1中，基体金属在激光冲击后，金属表面的耐磨损性能也得到明显提高，如表3所示。
表3实施例1金属表面的耐磨损性能的对比
显微硬度/HV 疲劳寿命 耐磨损性能
基体材料 236 1.8×106
激光冲击 252 1.2×107 提高8％
激光冲击离子渗入 278 6.2×107 提高13％

Claims (9)

1.一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于包括以下步骤：
基体材料前处理；
加工表面覆盖吸收层；
基体金属表面覆盖吸收层；
基体金属表面施加约束层；
对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理；
对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿；
基体金属材料后处理。
2.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于：加工表面覆盖吸收层包括以下步骤：
在洁净间中，取一张薄板，中间剪出需要的大小及形状的开口；
薄板贴附于吸收层表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒；
将多余部分清理干净，使吸收层表面形与薄板同厚的颗粒涂覆层。
3.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于基体金属表面覆盖吸收层为：在基体金属表面即靶材的工作端面覆盖涂覆纳米颗粒的吸收层。
4.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于基体金属表面施加约束层为：
将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层，该约束层为透光玻璃或去离子水中的一种。
5.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理步骤为：
施加约束层后的基体金属表面面朝向激光束，以激光脉宽为20-40ns、激光波长为1064、激光光束直径为2-3mm、激光能量为1-5J、重复频率为2Hz的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为10％，冲击1-2遍。
6.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿处理的步骤为：
预冲击延寿处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为10-20ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为2-3mm、激光能量为2-10J、重复频率为1～2Hz的激光束进行冲击处理，其中搭接率为30％左右，冲击2-4遍。
7.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于：基体材料在加工表面覆盖吸收层之前，基体材料的吸收层需要前处理，基体材料前处理为：基体金属进行机械抛光，然后用75％的酒精清洗表面，烘干。
8.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于基体金属材料后处理包括：
去除靶材金属表面黏贴的吸收层(表面涂覆纳米颗粒)；
将经冲击延寿处理后的基体金属放入装有温度为20±2℃、酒精浓度为75％的超声清洗机中，超声频率为35-55kHz，清洗10-15min；
利用去离子水冲洗，最后用100℃的干燥箱烘干5min。
9.按权利要求1所述的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，其特征在于：
基材金属表面冲击处理使用的激光能量为基材金属表面冲击预处理使用的激光能量的二倍，脉宽为预处理的一半，即能量密度提高4倍。
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