CN106148644A - 一种短脉冲激光金属表面硬化方法 - Google Patents

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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Abstract

本发明公开了一种短脉冲激光金属表面硬化方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：对金属材料表面依次进行化学清洗去油，砂轮打磨去氧化层，打磨后清洗；将清洗后的金属材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；对加工后的金属材料进行简单清洁。相比现有的激光硬化方法，本发明取得的突破在于使用了较小功率的激光能量密度，在获得一定厚度的表面硬化层的同时保证金属材料基体不受激光的热效应影响。

Description

一种短脉冲激光金属表面硬化方法
技术领域
本发明涉及一种短脉冲激光金属表面硬化方法，尤其是涉及一种利用短脉冲激光直接重熔金属表面达到硬化效果的方法。可将该方法广泛应用于金属零件的表面处理，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高等特点。
背景技术
激光硬化表面处理技术是20世纪70年代随着大功率激光器的问世而发展起来的一项重大高新技术，国内外对此已进行了大量研究。该技术主要用于强化零件表面，以提高金属材料及零件的表面硬度，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高等特点。激光硬化可大幅提高产品质量，并成倍延长其使用寿命，具有显著的经济效益。激光器主要由能源、激活物媒质和谐振器组成。目前激光表面强化常用的三种激光器为CO2激光器、YAG激光器和准分子激光器。CO2激光器用于黑色金属大面积零件的表面强化处理，而YAG激光器则多用于有色金属或小面积零件的表面处理。准分子激光器是继CO2、YAG激光器之后的第三代材料表面强化用激光器，所发射激光的波长很短(为YAG激光器的1/5和CO2激光器的1/50)，大多数材料对其吸收率特别高，从而可有效吸收该激光能量。激光硬化过程激光束与材料的交互作用根据辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：(1)激光照射到材料表面；(2)激光被材料吸收变为热能；(3)表层材料受热升温；(4)材料表面发生固态转变，熔化甚至蒸发；(5)材料在激光作用后冷却。
激光熔凝硬化是以具有高功率密度(105～107W/cm2)的激光，在极短的时间内与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度而熔化，随后借助于冷态金属基体的吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固，产生新的表面层。该技术具有以下优点：(1)表面熔化时一般可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，且熔凝层与材料基体形成冶金结合；(2)激光熔凝过程可排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂质有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性；(3)熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用；(4)可提高溶质原子在基体中的固溶度极限，使晶粒及第二相质点超细化，形成的亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得用传统方法所不能得到的优良性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短脉冲激光金属表面硬化方法。该方法可广泛应用于金属零件的表面处理，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高等特点。
本发明一种短脉冲激光金属表面硬化方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：
(1)对金属材料表面依次进行化学清洗去油，砂轮打磨去氧化层，打磨后清洗；
(2)将步骤(1)清洗后的金属材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；
(3)对加工后的金属材料进行简单清洁。
其中，所述的金属材料可以为钛合金，铸铁，钢，镍基合金；
其中，步骤(2)中设定的激光参数为：激光波长为193nm-1070nm，激光脉宽为50ns-800ns，激光功率为10W-100W，激光脉冲频率为1kHz-1MHz；
其中，步骤(2)中利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，其速度为0.2mm/s-3m/s。
本发明公开的一种短脉冲激光金属表面硬化方法，开辟了一种新的金属表面激光硬化方法，相对于渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火等传统表面硬化方法及现有的激光金属表面硬化方法，利用激光使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度而熔化，随后借助于冷态金属基体的吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固，产生新的表面层，相比于现有的模板法纳米孔阵列加工工艺，本发明的优点在于：
(1)：该方法利用激光直写系统，可以通过改变激光参数如频率、扫描速度、功率对金属表面熔凝深度、面积等进行精确控制，能得到加工精度和加工范围远大于现有的强化工艺。
(2)：该方法利用激光直写系统，硬化基于材料熔化及凝固，不需要额外添加强化材料，绿色环保，被处理材料本身不发生化学变化，可应用于多种金属材料。
(3)：该方法可以实现加工区域的任意设定，相比于渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火等整体加工工艺更加灵活。
(4)：该方法加工速度更快，有望在实际生产中提高生产效率。
(5)：相对于现有的激光金属表面硬化方法，本发明使用较小功率的短脉冲激光，对重熔层金属外的基体材料热影响很小，有助于保持金属基体性能不变。
附图说明：
图1所示为本发明方法流程图。
图2所示为激光加工系统示意图。
图3所示为激光加工后钛合金表面纵截面。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图所示，本发明公开的一种短脉冲激光金属表面硬化方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
1.对金属材料表面依次进行化学清洗去油，砂轮打磨去氧化层，打磨后清洗；
2.将步骤1中清洗后金属材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；
3.对加工后的金属材料进行简单清洁。
其中，所述的金属材料可以为钛合金，铸铁，钢，镍基合金；
其中，步骤2中设定的激光参数为：激光波长为193nm-1070nm，激光脉宽为50ns-800ns，激光功率为10W-100W，激光脉冲频率为1kHz-1MHz；
其中，步骤2中利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，其速度为0.2mm/s-3m/s。
实施例1：
(1)：取10mm厚度的TC4钛合金块，置于无水酒精中清洗。
(2)：将样品置于如图2所示的SPI公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的CO2激光器)的工作台上，设置激光功率为20W，频率为500KHz，扫描速度为200mm/s，设置扫描区域大小为15mm×15mm，启动激光加工系统开始加工。
(3)：从工作台上取下加工后钛合金块，用无水酒精擦拭清理。
如图3所示为实施例1加工后所得TC4钛合金近表面的纵截面金相，由图所示，经短脉冲激光处理后金属表面有厚度约170μm的重熔层，重熔层显示出了于基体不同的金相形态，经硬度测试，重熔层维氏硬度约为497HV，远高于基体硬度的286HV。
实施例2：
(1)：取10mm厚度的TC11钛合金块，置于无水酒精中清洗。
(2)：将样品置于如图2所示的SPI公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的CO2激光器)的工作台上，设置激光功率为40W，频率为500KHz，扫描速度为200mm/s，设置扫描区域大小为15mm×15mm，启动激光加工系统开始加工。
(3)：从工作台上取下加工后钛合金块，用无水酒精擦拭清理。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种短脉冲激光金属表面硬化方法，包括如下步骤：
(1)对金属材料表面依次进行化学清洗去油，砂轮打磨去氧化层，打磨后清洗；
(2)将步骤(1)清洗后的金属材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；
(3)对加工后的金属材料进行简单清洁。
2.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光金属表面硬化方法，其特征在于：所述的金属材料可以为钛合金，铸铁，钢，镍基合金。
3.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光金属表面硬化方法，其特征在于：所述步骤(2)中设定的激光参数为：激光波长为193nm-1070nm，激光脉宽为50ns-800ns，激光功率为10W-100W，激光脉冲频率为1kHz-1MHz。
4.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光金属表面硬化方法，其特征在于：所述步骤(2)中利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度扫射，其速度为0.2mm/s-3m/s。
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