CN108588345A - 一种金属表面激光强韧化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种金属表面激光强韧化方法及装置，其中，该方法包括：通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；当熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰；冷却力学干扰后的熔化层直至目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。本发明为基于激光半固态加工的表面强韧化方法，实质上是金属件表层的自由熔化及动力再结晶过程，可消除金属件薄壁区的气孔等内部缺陷和热应力，提高了金属薄壁件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。

Description

一种金属表面激光强韧化方法及装置

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种金属表面激光强韧化方法及装置。

背景技术

众所周知，疲劳、腐蚀和磨损是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，且这些断裂失效形式多数是从构件的表面开始或源于构件表面材料的流失。因此，采用表面防护或表面强化技术延缓和控制材料表面的失效破坏，成为解决上述问题的有效方法。

目前，金属材料的表面强化处理的方法主要有传统表面淬火技术、热扩渗技术、热喷涂技术、堆焊技术、电镀硬铬技术、气相沉积技术、高能束热处理技术，以及激光表面强化技术等。其中，激光强化技术凭借其本身特有的单一波长、能量集中、加热迅速、自激冷却、变形小、无需淬火介质、利于环保、便于实现自动化等优点，在金属材料的表面强化和改性方面的应用越来越广。

金属材料的激光表面强化和改性，实质上就是利用激光的高能量密度特性在金属材料表面施行淬火、喷丸、合金化，或在较普遍使用且价格低廉的材料或其他形状材料表面制备一定厚度的高性能复合或多相材料涂层的一种新的表面技术，是激光加工技术的前沿重点研究领域之一。

然而，现有的基于单一激光热效应(激光淬火、激光熔凝、激光熔覆等)或冲击波力学效应(激光喷丸强化等)的强化技术，大多主要以外加原料熔覆、诱发基体材料相变、细化基体晶粒等方法为强化途径，致使经过激光处理后的零部件表面层组织结构尺度与形态单一，且其与内部基体的物理化学特征及性能差异较大，在使用中往往出现表层剥落或塑韧性低等脆断的失效特征。

发明内容

本发明实施例提供了一种金属表面激光强韧化方法及装置，克服传统激光热效应或力学效应处理后的零部件表层结构尺度与形态单一，且在使用中极易出现表层剥落或脆断等问题，同时提高金属零件的综合机械力学性能。

根据本发明的一个方面，提供一种金属表面激光强韧化方法，包括：

通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；

当所述熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的所述熔化层进行力学干扰；

冷却力学干扰后的所述熔化层直至所述目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

优选地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法还包括：

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，调节用于热熔化的激光的强弱，使得半固态的所述熔化层的温度处于适合力学作用的预置温度范围内。

优选地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法还包括：

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数。

优选地，所述根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数具体包括：

基于预置的厚度值，判断半固态的所述熔化层的厚度过大或过小后，则对应减小或增大所述短脉冲激光的脉冲宽度；

基于预置的宽度值，判断半固态的所述熔化层的宽度过大或过小后，则对应减小或增大所述短脉冲激光的频率和光斑。

优选地，所述通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度之前还包括：

对所述目标金属构件进行打磨和抛光，然后泡于无水乙醇中进行超声波清洗再烘干，得到预处理后的所述目标金属构件；

所述通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度具体为：

通过激光对预处理后的目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度。

优选地，所述超声波清洗的时长为20min。

根据本发明的另一方面，提供一种金属表面激光强韧化装置，包括：控制器、工作台、温度传感器、连续激光熔化系统和短脉冲激光发生器；

所述控制器分别与所述温度传感器、所述连续激光熔化系统、短脉冲激光发生器电连接；

所述温度传感器、所述连续激光熔化系统、短脉冲激光发生器电连接均与所述工作台相对设置；

所述连续激光熔化系统用于产生对目标金属构件进行热熔化的激光；

所述温度传感器用于获取熔化层的温度；

所述控制器在判断所述熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，控制所述短脉冲激光发生器产生短脉冲激光对半固态的所述熔化层进行力学干扰；

力学干扰后的所述熔化层进行冷却后使得放置于所述工作台上的所述目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

优选地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置还包括：光束质量检测装置；

所述控制器、所述光束质量检测装置和所述短脉冲激光发生器依次电连接；

所述光束质量检测装置用于获取所述短脉冲激光的激光参数。

优选地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置还包括：显微图像分析装置；

所述显微图像分析装置与所述控制器连接，所述显微图像分析装置用于获取半固态的所述熔化层的形状参数；

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，所述控制器根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数。

优选地，所述控制器为单片机或可编辑逻辑控制器。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种金属表面激光强韧化方法及装置，其中，该方法包括：通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；当熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰；冷却力学干扰后的熔化层直至目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。本发明为基于激光半固态加工的表面强韧化方法，实质上是金属件表层的自由熔化及动力再结晶过程，可消除金属件薄壁区的气孔等内部缺陷和热应力，提高了金属薄壁件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种金属表面激光强韧化方法及装置，克服传统激光热效应或力学效应处理后的零部件表层结构尺度与形态单一，且在使用中极易出现表层剥落或脆断等问题，同时提高金属零件的综合机械力学性能。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法的一个实施例，包括：

101、通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；

102、当熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰；

103、冷却力学干扰后的熔化层直至目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

本发明为基于激光半固态加工的表面强韧化方法，实质上是金属件表层的自由熔化及动力再结晶过程，可消除金属件薄壁区的气孔等内部缺陷和热应力，提高了金属薄壁件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。

以上为一种金属表面激光强韧化方法的一个实施例，为进行更具体的说明，下面提供一种金属表面激光强韧化方法的另一个实施例，请参阅图2，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法的另一个实施例，包括：

201、对目标金属构件进行打磨和抛光，然后泡于无水乙醇中进行超声波清洗再烘干，得到预处理后的目标金属构件；

在本实施例中，为了使目标金属构件更优地进行激光加工，可将金属构件用砂纸打磨至镜面，打磨处理后用抛光机进行抛光，随后浸泡在无水乙醇中进行超声波清洗并烘干。具体的，超声波清洗的时长可以为20分钟。

202、通过激光对预处理后的目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；

为了实时监测目标金属构件熔化层中形成的初生固相，并确定熔化层是否进入半固态区，需实时监测该熔化层的温度。

203、当熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰；

当熔化层冷却至有初生固相形成的温度区域时，即熔化层处于半固态，则可以通过短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰，使初生固相发生破碎或支解，使半固态的熔化层中的固液相呈现不同的结晶生长模式，同时消除其内部气孔等缺陷和热应力等。

204、冷却力学干扰后的熔化层直至目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

熔化层完成力学干扰后，等其冷却形成双尺度复合化结构，则金属件表面层呈现出致密化的双尺度复合结构，至此基于半固态加工的金属表面激光增韧强化处理完成。

在本实施例中，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法还包括：

205、在对半固态的熔化层进行力学干扰的过程中，调节用于热熔化的激光的强弱，使得半固态的熔化层的温度处于适合力学作用的预置温度范围内。

由于在对半固态的熔化层进行力学干扰的过程中，该熔化层的温度会因自然冷却而发生变化，为了使该温度处于最适合力学干扰作用的区间(即预置温度范围，可根据实际需求进行提前设定)内，可调节用于热熔化的激光强弱，即产生该激光的激光器的功率。

在本实施例中，本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法还包括：

206、在对半固态的熔化层进行力学干扰的过程中，根据半固态的熔化层的形状参数调节短脉冲激光的激光参数。

步骤206具体包括：

基于预置的厚度值，判断半固态的熔化层的厚度过大或过小后，则对应减小或增大短脉冲激光的脉冲宽度；

基于预置的宽度值，判断半固态的熔化层的宽度过大或过小后，则对应减小或增大短脉冲激光的频率和光斑。

在本实施例中，当熔化层的温度处于最适合力学干扰作用的区间内时，可以根据半固态的熔化层的厚度(与预置的厚度值进行比对)来对应调节短脉冲激光的脉冲宽度，且可以根据半固态的熔化层的宽度(与预置的宽度值进行比对)调节短脉冲激光的频率和光斑，使熔化层的表层获得充分冲击波力学作用。

本发明提供了一种基于半固态加工的金属表面激光强韧化方法，该方法能定向调控金属件表面的微观组织结构形态及尺度，并消除气孔等内部缺陷及热应力，可加工制得与基体物理化学特征相似的双尺度/多尺度复合化结构表面强化层，克服传统激光热效应或力学效应处理后的零部件表层结构尺度与形态单一，且在使用中极易出现表层剥落或脆断等问题，同时提高金属零件的综合机械力学性能。

本发明具备以下优点：

(1)本发明的表面强韧化技术可以处理的合金件不仅包括常见的低熔点合金体系(如铝合金、镁合金)，也可以处理目前半固态加工中鲜有研究的高熔点合金体系(如钛合金、镍合金等)，这对拓展半固态加工领域具有重要的理论和工程意义。

(2)本发明采用的半固态加工方法可包括高能激光、高能电子束等技术中的任意一种，鉴于半固态加工处理时合金表面局部的粘性流动行为，故可用于强化较大尺寸、形状复杂、适合工程应用的金属件表面及其薄壁区域，具有较广的通用性和实用性。

(3)与传统激光热效应或者激光力学效应只能制备出尺度、形态单一的组织结构相比，本发明所采用的激光半固态加工表面处理后的金属件表层，其微观结构可实现细晶化、等轴晶化、双尺度/多尺度化、结构复合化，因此本发明表面处理后的合金综合性能更为优异。

(4)本发明所采用的双激光束热-力耦合作用下的半固态加工表面处理技术，其具有简单易操作，可控性高，加热层薄，变形小，加工与热处理一体化等优点，大大降低了加工处理的成本。

(5)本发明所采用的基于激光半固态加工的表面强韧化方法，实质上是金属件表层的自由熔化及动力再结晶过程，还可消除金属件薄壁区的气孔等内部缺陷和热应力，提高了金属薄壁件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。

(6)相比传统的半固态加工方法，本发明不存在制浆难的问题，可以直接通过高功率激光热效应按照所设计的扫描路径进行金属材料的表面定向熔化，大大节约了原料的制备成本。

以上是对本发明提供的一种金属表面激光强韧化方法进行的详细说明，以下将对本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置的连接关系和结构进行说明，请参阅图3，本发明提供的一个金属表面激光强韧化装置的一个实施例，包括：控制器11、工作台1、温度传感器8、连续激光熔化系统7和短脉冲激光发生器9；

控制器11分别与温度传感器8、连续激光熔化系统7、短脉冲激光发生器9电连接；

温度传感器8、连续激光熔化系统7、短脉冲激光发生器9电连接均与工作台1相对设置；

连续激光熔化系统7用于产生对目标金属构件进行热熔化的激光；

温度传感器8用于获取熔化层的温度；

控制器11在判断熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，控制短脉冲激光发生器9产生短脉冲激光对半固态的熔化层进行力学干扰；

力学干扰后的熔化层进行冷却后使得放置于工作台1上的目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

更进一步地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置还包括：光束质量检测装置12；

控制器11、光束质量检测装置12和短脉冲激光发生器9依次电连接；

光束质量检测装置12用于获取短脉冲激光的激光参数。

更进一步地，本发明提供的一种金属表面激光强韧化装置还包括：显微图像分析装置；

显微图像分析装置与控制器11连接，显微图像分析装置用于获取半固态的熔化层的形状参数。

在对半固态的熔化层进行力学干扰的过程中，控制器11根据半固态的熔化层的形状参数调节短脉冲激光的激光参数。

更进一步地，控制器11为单片机或可编辑逻辑控制器。

以下将以一个应用场景对本发明提供的金属表面激光强韧化装置的工作过程进行说明。

请参阅图3，该应用场景包括：控制器11、工作台1和设于工作台1上方的温度传感器8、连续激光熔化系统7、短脉冲激光发生器9、显微图像分析装置和光束质量检测装置12。

连续激光熔化系统7的端头和短脉冲激光发生器9正对于工作台1设置，通过控制连续激光熔化系统7移动并熔化金属件表层，形成熔化区4。控制器11通过温度传感器8对熔化区4及半固态区5的实时温度进行检测，控制器11还可通过光束质量检测装置12对短脉冲激光进行数据采集，并且控制短脉冲激光输出的脉冲宽度、作用频率和光斑值。控制器11的输出端与连续激光熔化系统7、短脉冲激光发生器9和光束质量检测装置12相连接。显微图像分析装置和控制器连接，用于采集金属件的形状数据。控制器11为单片机或可编程逻辑控制器(PLC)。

在工作时，连续激光熔化系统7对工作台1上的金属件2的表面层3进行激光热熔化形成熔化区4，同时控制器11通过温度传感器8对熔化区4的实时温度进行检测，待其冷却至有初生固相形成的半固态区5时，控制器11控制短脉冲激光发生器9产生短脉冲激光，其产生的冲击波10对固液共存的半固态区5进行同步力学干扰作用，使初生固相发生破碎或支解，使半固态区5中固液相呈现不同的结晶生长模式，同时消除其内部气孔等缺陷和热应力等，后快速冷却直至形成双尺度复合化结构的致密化相区6，如上循环加工，直至整个金属件表面层均呈现出致密化的双尺度复合结构，至此基于半固态加工的金属表面激光增韧强化处理完成。

与此同时，控制器11将控制连续激光熔化系统7的输出功率，使半固态区5始终处于最适合半固态加工的温度区间。并且控制器11通过光束质量检测装置对激光发生器9产生的短脉冲激光进行数据采集，对于激光发生器9的激光参数由光束质量检测装置在线监测与控制，根据半固态区5的厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，并根据半固态区5的宽度确定短脉冲激光冲击波力学作用频率和光斑大小，使当前半固态区5的材料表层获得充分冲击波力学作用，并保证半固态区5始终处于金属最佳半固态加工的温度区间内，以期通过一个工序实现高效、高质量的金属表面激光增韧强化的目的。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种金属表面激光强韧化方法，其特征在于，包括：

通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度；

当所述熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，通过短脉冲激光对半固态的所述熔化层进行力学干扰；

冷却力学干扰后的所述熔化层直至所述目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

2.根据权利要求1所述的金属表面激光强韧化方法，其特征在于，还包括：

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，调节用于热熔化的激光的强弱，使得半固态的所述熔化层的温度处于适合力学作用的预置温度范围内。

3.根据权利要求1或2所述的金属表面激光强韧化方法，其特征在于，还包括：

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数。

4.根据权利要求3所述的金属表面激光强韧化方法，其特征在于，所述根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数具体包括：

基于预置的厚度值，判断半固态的所述熔化层的厚度过大或过小后，则对应减小或增大所述短脉冲激光的脉冲宽度；

基于预置的宽度值，判断半固态的所述熔化层的宽度过大或过小后，则对应减小或增大所述短脉冲激光的频率和光斑。

5.根据权利要求1所述的金属表面激光强韧化方法，其特征在于，所述通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度之前还包括：

对所述目标金属构件进行打磨和抛光，然后泡于无水乙醇中进行超声波清洗再烘干，得到预处理后的所述目标金属构件；

所述通过激光对目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度具体为：

通过激光对预处理后的目标金属构件的表面进行热熔化，并获取熔化层的温度。

6.根据权利要求5所述的金属表面激光强韧化方法，其特征在于，所述超声波清洗的时长为20min。

7.一种金属表面激光强韧化装置，其特征在于，包括：控制器、工作台、温度传感器、连续激光熔化系统和短脉冲激光发生器；

所述控制器分别与所述温度传感器、所述连续激光熔化系统、短脉冲激光发生器电连接；

所述温度传感器、所述连续激光熔化系统、短脉冲激光发生器电连接均与所述工作台相对设置；

所述连续激光熔化系统用于产生对目标金属构件进行热熔化的激光；

所述温度传感器用于获取熔化层的温度；

所述控制器在判断所述熔化层的温度降至初生固相形成的半固态区内时，控制所述短脉冲激光发生器产生短脉冲激光对半固态的所述熔化层进行力学干扰；

力学干扰后的所述熔化层进行冷却后使得放置于所述工作台上的所述目标金属构件的表面形成双尺度复合结构。

8.根据权利要求7所述的金属表面激光强韧化装置，其特征在于，还包括：光束质量检测装置；

所述控制器、所述光束质量检测装置和所述短脉冲激光发生器依次电连接；

所述光束质量检测装置用于获取所述短脉冲激光的激光参数。

9.根据权利要求8所述的金属表面激光强韧化装置，其特征在于，还包括：显微图像分析装置；

所述显微图像分析装置与所述控制器连接，所述显微图像分析装置用于获取半固态的所述熔化层的形状参数；

在对半固态的所述熔化层进行力学干扰的过程中，所述控制器根据半固态的所述熔化层的形状参数调节所述短脉冲激光的激光参数。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的金属表面激光强韧化装置，其特征在于，所述控制器为单片机或可编辑逻辑控制器。