CN107794363A - 激光冲击强化不规则空间形状结构的方法 - Google Patents

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CN107794363A CN201711053365.0A CN201711053365A CN107794363A CN 107794363 A CN107794363 A CN 107794363A CN 201711053365 A CN201711053365 A CN 201711053365A CN 107794363 A CN107794363 A CN 107794363A
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张文武
宁成义
黄亿辉
茹浩磊
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing

Abstract

本发明提供了一种激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,该方法用填充物填充不规则空间形状结构的不规则缺口得到平整结构,或者将不规则空间形状结构缺口镶嵌在填充物中得到平整结构;对得到的所述平整结构进行激光冲击强化后去除所述填充物。将不规则缺口转化为平整结构进行激光冲击处理的方法能有效保护吸收层不被破坏,简化了处理不规则结构的繁琐夹具结构设计过程,解决了边缘效应水膜不稳定的缺点,增强了冲击强化的效果。

Description

激光冲击强化不规则空间形状结构的方法
技术领域
本申请涉及一种材料处理方法,具体涉及材料的激光冲击强化方法,属于材料处理领域。
背景技术
激光冲击强化(LSP)是一种新的先进的表面加工技术,它通过高能量密度的激光束辐照金属材料表面,在材料表面诱导产生深层残余应力及表面晶粒细化,提高材料的硬度,耐磨性,耐腐蚀性,抗疲劳寿命等综合机械性能;并且具有加工工艺简洁,处理效果明显,可控性好,无热影响区等优点。
但是,目前常规处理平面材料,圆柱材料,效率较高,对于加工较为复杂的曲面,就需要设计专门的夹具,工艺成本较高,对于锯齿条结构的弧形表面,齿间距空隙较大,齿轮结构的弧形表面,轮齿的不规则表面及其他凹槽结构,有台阶的轴,连接块,阶梯结构,微型的细状等其他不规则形状,在激光冲击强化过程中,由于边缘效应,有如下技术难点:
其一,贴附在表面的吸收层易被激光击碎;
其二,约束层水膜分布不均匀,大大降低了激光冲击强化的效果。
对于不规则空间形状结构,降低LSP处理材料难度是亟待解决的技术问题。
发明内容
根据本申请的一个方面,提供了一种激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,该方法能够对奇异形状的工件进行有效的激光冲击强化,而不需要专门的设备。通过用填充物,从而实现加工工件复杂表面的不同处理要求,保护吸收层因边缘效应不被破坏,提高约束层水膜的稳定性与均匀性,强化冲击的效果。
所述激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,用填充物填充不规则空间形状结构的不规则缺口得到平整结构,或者将不规则空间形状结构镶嵌在填充物上得到平整结构;
对得到的所述平整结构进行激光冲击强化,然后去除所述填充物,得到满足加工要求的工件。所述满足加工要求的工件是指需要通过激光冲击强化获得硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳寿命等方面性能提升的具有不规则空间形状结构的工件。
优选地,所述填充物为熔点或固化温度低于所述不规则空间形状结构的材料的、连续性介质。
本申请中,所述连续介质首先熔点较低,有一定的粘附性,可以固定在工件上;其次,激光冲击处理以后,连续介质的去除和清洗要较为方便;最后,连续介质作为填充物,能够有效避免贴附在表面的吸收层易被激光击碎问题,以及使得约束层水膜分布均匀。因此采用本申请的填充物,能够有效提高了对于不规则空间形状结构的激光冲击强化效果。
优选地,所述填充物可粘附激光冲击强化处理中的吸收层。
优选地,所述吸收层包括铝箔、黑胶带中的至少一种。
优选地,所述填充物包括热熔性材料、固化材料、胶质中的至少一种。
优选地,所述填充物包括石蜡、固化树脂、凝胶中的至少一种。
进一步优选地,激光冲击强化后去除所述填充物的方式包括热熔去除、溶剂溶解去除、机械去除中的至少一种。
优选地,所述不规则空间形状结构包括锯齿形结构、弧形长齿结构、齿轮、微齿轮结构、有台阶的轴,曲面和/或凹槽结构。
作为一个优选的实施方式,激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,包括步骤:
(a)将流动状态的填充物填充不规则空间形状结构的不规则缺口,或者将不规则空间形状结构镶嵌在填充物上,得到组合体I;
(b)对步骤(a)得到的组合体I的待加工表面整平,待所述填充物凝固或固化,得到组合体II;
(c)对步骤(b)得到的组合体II激光冲击强化,然后去除所述填充物。
作为一个进一步优选的实施方式,激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,包括步骤:
(a1)将流动状态的填充物滴加到不规则空间形状结构的不规则缺口,至所述填充物填满缺口,得到组合体I;
(b1)将步骤(a)得到的组合体I的待加工表面压平,冷却凝固,得到组合体II;
(c1)对步骤(b)得到的组合体II激光冲击强化,然后加热熔化去除所述填充物。
作为其中一个可选方式,所述步骤(a1)为将流动状态的石蜡滴加到不规则空间形状结构的不规则缺口,至石蜡填满缺口,得到组合体I。
作为其中另一个可选方式,所述步骤(a1)为将不规则空间形状结构镶嵌到石蜡中,得到组合体I。
作为其中一个可选方式,步骤(b)或步骤(b1)后,检查得到的组合体II是否平整,如不平整,用刀具整修平整。
作为另一个进一步优选的实施方式,激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,包括步骤:
(a2)将不规则空间形状结构镶嵌到流动状态的填充物上,并压平,待凝固后,得到组合体I;
(b2)对步骤(a2)得到的组合体II激光冲击强化,然后去除所述填充物。
作为一个可选方式,所述步骤(a2)为将不规则空间形状结构镶嵌到石蜡中,并压平,得到组合体I。
本申请中,“热熔性材料”,是指加热可以熔化的材料,且在本申请中所述热熔性材料的熔点或可流动温度低于所述不规则空间形状结构的材料的熔点。进一步的所述热熔性材料的熔点或可流动温度低于所述不规则空间形状结构金属材料的金属转变温度和再结晶温度。
本申请中,“固化材料”,是指原料可流动,混合、加热或光照可聚合固化的材料。本申请中,所述固化材料可用溶剂去除,且所述溶剂与所述不规则空间形状结构的材料之间没有作用。
本申请能产生的有益效果包括:
(1)本申请所用方法解决了奇异结构材料难以激光冲击强化处理的问题,在激光冲击强化中,采用本申请的填充物,保护了吸收层不被击碎,水膜在冲击过程中分布均匀,与其他平板结构冲击效果类似,解决了激光冲击强化中的边缘效应。
(2)本申请制备方法简单,提高了冲击效果,易于操作且成本较低。
附图说明
图1为激光冲击强化原理图。
图2为本申请一种实施方式中填充锯齿的示意图。
图3为本申请一种实施方式中实例照片,其中:
图3(a)为具有锯齿结构的待加工工件;
图3(b)为未采用填充物进行激光冲击强化后的照片;
图3(c)为采用本申请一种实施方式中填充物后进行激光冲击强化后的照片
图4为本申请一种实施方式中填充微型齿轮的示意图,其中:
图4(a)为微型齿轮结构示意图;
图4(b)为微型齿轮镶嵌在固化树脂中示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明,本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
本申请中,激光冲击强化(LSP)的原理示意图如图1所示,激光冲击强化是一种新的先进的表面加工技术,它通过高能量密度的激光束辐照金属材料(图1中金属靶材)表面的吸收层,吸收层上面有约束层(一般为水),在材料表面产生等离子体,其产生GPa级冲击波作用于材料表面并向内部传播,使材料表面一定区域内产生塑性变形和位错结构,形成残余压应力,进而提高零件的疲劳强度和抗腐蚀能力。
实施例1
以锯齿条的激光冲击强化为例,对本申请技术方案详细说明。
本实施例通过用石蜡作为连续介质,填充锯齿结构的齿间隙,使齿间连接转变为平面结构,进行激光冲击强化处理。如图2所示,图2上图为锯齿结构示意图,图2下图为锯齿结构上填充物示意图(黑色填充部分)。
具体实施步骤如下:
(1)选用铝合金平板作为垫板用压块将工件固定,选定锯齿作为要处理的表面,确定齿间隙作为填充介质的位置,选择石蜡作为填充物。
(2)缓慢均匀填充液化的石蜡,覆盖在齿间距空缺位置,待加到一定量时,停止滴加。
(3)用平板压平,冷却一段时间,待到石蜡与锯齿固定在一块,检查是否平整,如不平整,用刀具整修平整即可。
(4)然后进行激光冲击强化实验,完成试验后,去除介质材料,清洗锯齿条。
本实施例的锯齿条实物如图3(a)所示,采用本实施例的方案,填充后激光冲击强化后的效果如图3(c)所示,吸收层未被破坏,激光冲击过程中的水膜也很均匀稳定。锯齿强度和耐疲劳性能比激光冲击强化前有显著提高。
对比例1
锯齿条与实施例1相同,只是未采用填充物,激光冲击强化后见图3(b)所示,吸收层被破坏,激光冲击过程中的水膜非常不稳定。相应的,锯齿强度和耐疲劳性能比激光冲击强化没有显著提高,其原因有可能是吸收层被破坏,且无法形成稳定的水膜,导致激光冲击效果受到很大影响,甚至无法形成有效的冲击波,进而无法产生有效的激光冲击强化效果。
实施例2
以微型齿轮的激光冲击强化为例,对本申请技术方案详细说明。
本实施例通过用固化树脂作为连续介质,将微型齿轮镶嵌在固化树脂中,使齿间连接转变为平面结构,进行激光冲击强化处理。如图4所示,图4(a)为微型齿轮结构示意图,图4(b)为微型齿轮镶嵌在固化树脂中示意图。
具体实施步骤如下:
(1)选用铝合金平板作为垫板,将流动状态的固化树脂铺布在垫板上。
(2)在固化树脂完全固化前,将微型齿轮压入镶嵌在固化树脂中,至表面平整,如图4(b)所示。
(3)然后对微型齿轮的锯齿部分进行激光冲击强化实验,完成试验后,用溶剂去除固化树脂,清洗微型齿轮。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,用填充物填充不规则空间形状结构的不规则缺口得到平整结构,或者将不规则空间形状结构镶嵌在填充物上得到平整结构;
对得到的所述平整结构进行激光冲击强化,然后去除所述填充物,得到满足加工要求的工件。
2.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述填充物为熔点或固化温度低于所述不规则空间形状结构的材料的、连续性介质。
3.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述填充物可粘附激光冲击强化处理中的吸收层。
4.根据权利要求3所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述吸收层包括铝箔、黑胶带中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述填充物包括热熔性材料、固化材料、胶质中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述填充物包括石蜡、固化树脂、凝胶中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,激光冲击强化后去除所述填充物的方式包括热熔去除、溶剂溶解去除、机械去除中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,所述不规则空间形状结构包括锯齿形结构、弧形长齿结构、齿轮、微齿轮结构、有台阶的轴,曲面和/或凹槽结构。
9.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,包括步骤:
(a)将流动状态的填充物填充不规则空间形状结构的不规则缺口,或者将不规则空间形状结构镶嵌在填充物上,得到组合体I;
(b)对步骤(a)得到的组合体I的待加工表面整平,待所述填充物凝固或固化,得到组合体II;
(c)对步骤(b)得到的组合体II激光冲击强化,然后去除所述填充物。
10.根据权利要求1所述的激光冲击强化不规则空间形状结构的方法,其特征在于,包括步骤:
(a1)将流动状态的石蜡滴加到不规则空间形状结构的不规则缺口,至石蜡填满缺口,得到组合体I;或者将不规则空间形状结构镶嵌到石蜡中,得到组合体I;
(b1)将步骤(a)得到的组合体I的待加工表面压平,冷却凝固,得到组合体II;
(c1)对步骤(b)得到的组合体II激光冲击强化,然后加热熔化去除石蜡。
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