CN106181060A - 一种激光切割tc4钛合金板的方法 - Google Patents

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李育霖
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Abstract

本发明涉及一种激光切割TC4钛合金板的方法，属于激光及表面改性技术领域。本发明通过利用激光切割技术结合辅助气体，制备无微裂纹、力学性能良好的钛合金。在激光切割过程中，本发明将激光束照射在TC4钛合金上，钛合金基体吸收激光束的能量熔化，然后被由氮气和氩气组成的混合气体吹走，最后达到切割效果。同时，氮气在高能激光束辐射下与基体发生强烈化学反应，获得高硬度的渗氮层，渗氮层的产生减少了表面的浅沟槽痕，也减少了热影响区中应力不均匀产生的微裂纹，从而提升了表面的力学性能和钛合金的疲劳寿命。

Description

一种激光切割TC4钛合金板的方法
技术领域
本发明涉及一种利用激光切割制备切面平整、无裂纹、力学性能优良的TC4钛合金板的加工技术，属于激光加工及表面改性技术领域。
背景技术
激光加工技术是一门比较新颖的加工技术，相比于传统机械切削加工，在对钛合金切割上摆脱了钛合金热导率低、易黏刀的缺点，能够做到切割无振动无噪声、加工灵活，但是由于激光束高能量密度的特点，激光切割后的钛合金表面有一层热影响区，另外表面应力的分布不均匀，会产生大量微裂纹，这会极大影响材料的使用寿命，目前在国内外有大量的研究人员对激光切割的工艺参数优化进行研究，而在辅助气体结合工艺参数上的研究仍然较少。
微裂纹、热影响区是目前激光切割上存在的一个较大的问题，至今仍未有很好的方法解决，微裂纹会萌生疲劳裂纹，而热影响区会构成疲劳源区，使材料呈脆性疲劳断裂，有效减少激光切割中切面微裂纹和热影响区是激光切割技术急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光切割TC4钛合金板的方法，其特征在于具有如下的过程和步骤；
a.将1.5mm厚的TC4钛合金板材置于工作台上，利用专用激光切割装置进行切割；设置激光器功率为1200~1400KW，离焦量为0.3~1mm；扫描速度为30mm/s；
b.采用辅助气体作为氮气氩气混合气体，其中氮气含量为30~80%，供送压力为0.2~0.7MPa。所述的TC4钛合金成分为(wt.%)：铁（Fe）≤0.30，碳（C）≤0.10，氮（N）≤0.05，氢（H）≤0.0150，氧（O）≤0.20，铝（Al）5.5~6.8，钒（V）3.5~4.5，余量为钛。所述的激光切割装置，其规格型号，产地为西安飞机工业有限责任公司的OPTIMO激光切割机。
本发明通过利用激光切割技术结合特定的辅助气体，制备切面平整、无微裂纹、力学性能良好的钛合金。在激光切割过程中，本发明利用高能激光束照射在TC4钛合金上，钛合金基体吸收激光束的能量熔化，然后被由氮气和氩气组成的混合气体吹走。光束和钛合金薄板的相对位移决定了切割方向，最后达到切割效果。同时，氮气在高能激光束辐射下与金属基体发生强烈化学反应，获得高硬度的渗氮层，渗氮层的产生减少了表面的浅沟槽痕，也减少了热影响区中应力不均匀产生的微裂纹，从而提升了表面的力学性能及耐疲劳性能。
本发明具有如下特点：
1、本发明通过将激光切割、表面渗氮有效结合起来，充分利用其特点，在激光切割的过程中，解决了表面应力不均、有微裂纹、热影响区易转变为疲劳源区的缺点，利用高能激光束的能量，使氮气与基体发生化学反应，产生的TiN避免了裂纹的产生，同时提高了表面的力学性能。
2、本发明通过连贯的工艺，可以生产切面优良的TC4钛合金。该发明也可通过参数的修改，适用于其它牌号的钛合金。
3、本发明工艺简单、效果明显、对环境无危害，适用于普遍生产。
具体实施方式
实施例1
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1200KW，离焦量为0.3mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占30%， 压力为 0.7MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
实施例2
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1300KW，离焦量为0.5mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占60%， 压力为 0.3MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
实施例3
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1200KW，离焦量为1mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占40%， 压力为 0.5MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
实施例4
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1400KW，离焦量为0.7mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占70%， 压力为 0.4MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
实施例5
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1350KW，离焦量为0.4mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占50%， 压力为 0.4MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
实施例6
将TC4钛合金逐级打磨至1000目，设置激光器功率为1300KW，离焦量为0.6mm，扫描速度为30mm/s，辅助气体采用氮气氩气混合气体，氮气含量占40%， 压力为 0.6MPa，激光加工完成即可得到切面性能良好的钛合金。
对各个实施例经处理后的样品进行表面微观及力学性能进行测试，结果如表1所示：
由测试情况来看，通过本发明加工处理的TC4钛合金切面具有致密的微观结构及优良的力学性能，具有优良的的耐疲劳性能。

Claims (3)

1.一种激光切割TC4钛合金板的方法，其特征在于具有如下的过程和步骤；
a)将1.5mm厚的TC4钛合金板材置于工作台上，利用专用激光切割装置进行切割；设置激光器功率为1200~1400KW，离焦量为0.3~1mm；扫描速度为30mm/s；
b)采用辅助气体作为氮气氩气混合气体，其中氮气含量为30~80%，供送压力为0.2~0.7MPa。
2.如权利要求1所述的一种激光切割TC4钛合金板的方法，其特征在于，所述的TC4钛合金成分为(wt.%)：铁（Fe）≤0.30，碳（C）≤0.10，氮（N）≤0.05，氢（H）≤0.0150，氧（O）≤0.20，铝（Al）5.5~6.8，钒（V）3.5~4.5，余量为钛。
3.如权利要求1所述的一种激光切割TC4钛合金板的方法，其特征在于，所述的激光切割装置，其规格型号，产地为西安飞机工业有限责任公司的OPTIMO激光切割机。
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