CN108660400B - 一种镍基高温合金的激光冲击强化方法 - Google Patents

一种镍基高温合金的激光冲击强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金的激光冲击强化方法，属于高温合金技术领域。该方法在合金试件表面覆盖吸收层后，再在吸收层上施加约束层约束激光冲击波增加冲击力；然后以脉宽为3‑40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5‑20J、重复频率为0.1‑10Hz、光束直径为0.5‑10mm的激光束进行预冲击处理，接着将高温加热板加热并保持在200℃，以激光束进行冲击处理；本发明方法处理的镍基高温合金试件表面显微硬度可提高20％以上，使用寿命提高30％以上，且工艺简单，延寿效果显著、效率高、成本低、无污染。

Description

一种镍基高温合金的激光冲击强化方法
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，具体涉及一种镍基高温合金的激光冲击强化方法，强化后的高温合金适用于航空工业用的高温合金材料、航空发动机叶片/涡轮盘或舰船燃气轮机等领域。
背景技术
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度、高的抗蠕变变形和抗蠕变断裂的能力，同时还应具备良好的抗氧化、抗热腐蚀和抗热冲击的能力，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能。高温合金是现代航空燃气涡轮、舰船燃气轮机、地面涡轮和火箭发动机的重要金属材料。但是由于高温合金使用在高压、高温环境下，高温合金零件寿命受到很大影响，在实际使用中容易造成不可估量的损失，导致使用成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍基高温合金的激光冲击强化方法，该方法能够延长高温合金零件的使用寿命，且操作简单，成本低，绿色无污染，延寿效果显著。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种镍基高温合金的激光冲击强化方法，该方法是采用激光冲击强化技术对镍基高温合金试件进行强化处理，该方法具体包括如下步骤：
(1)试件表面覆盖吸收层：在洁净间中，在镍基高温合金试件的工作端面上覆盖厚度为80-150μm的吸收层；所述吸收层为黑漆、铝箔或黑胶带；
(2)施加约束层：将覆盖有吸收层的高温合金试件安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层；所述约束层为光学透光玻璃；
(3)激光预冲击处理：将高温合金试件工作端面朝向激光束，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-10J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击处理；预冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击1-2遍；
(4)激光冲击处理：预冲击处理后，将试件下的加热板加热至200℃，然后在加热板在200℃的条件下，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为1-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行冲击处理；冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击2-6遍。
该方法中，在试件表面覆盖吸收层之前，对试件工作端面进行预处理，预处理过程为：将试件放入装有20-24℃去离子水的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗8-10min；再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在100℃干燥10min。对高温合金试件工作端面预处理中清洗的目的是为保证工件上没有残留有机物质和前期高温合金试件切削留下的切屑；干燥的目的是为后续吸收层的粘贴或涂覆做准备，提高吸收层与高温合金试件表面的结合力。
该方法中，在对镍基高温合金试样进行激光冲击处理后，对试样表面进行清洗，清洗过程为：首先去除试件工作端面涂覆的吸收层，然后将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的酒精的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗10-15min，再用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。
该方法中，步骤(2)进行预冲击处理时使用的激光能量为步骤(3)进行冲击处理时使用的激光能量的二分之一。
上述步骤(1)中，吸收层以粘贴或涂覆的方式覆盖于试件工作端面上，吸收层的厚度要求均匀，吸收层与试件表面之间无气泡。
上述步骤(2)中，施加的约束层是光学透光玻璃，要求玻璃能够透过波长532nm和1064nm的激光束，并要求玻璃与吸收层之间贴合紧密无缝隙。
本发明所述的洁净间为万级洁净间(又称为无尘室或清净室)，根据GB/T16292-1996，空气洁净度分级标准如表1：
表1GB/T16292-1996中空气洁净度分级标准
为降低高温合金材料延寿加工的成本，本发明提出温控激光冲击延寿技术。温控激光冲击延寿技术是在高于环境温度的高温条件下，利用短脉冲的高能量密度的激光辐照金属表面，金属表面的吸收层(黑漆、铝箔、黑胶带等)吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温、高压的等离子体，等离子体受到约束层(光学玻璃)的约束，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向金属内部传播，由于这种冲击波压力高达数个GPa，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面在高温环境发生强烈的塑性变形，引起晶格畸变、位错和晶粒细化，高温环境下产生的这一系列变化显著提高了金属表面的强度和硬度，进而提高工件的使用寿命。针对不同的高温合金材料，需要与之相适应的工艺过程并制定合适的各工艺参数，各工艺参数之间产生协同作用以获得高硬度、长寿命的高温合金试样。
本发明有益效果如下：
1、本发明方法在合金试件表面覆盖吸收层吸收激光能量防止激光灼伤金属材料表面；将工作台安装在高温加热板上并在试件表面吸收层上施加一层约束层约束激光冲击波增加冲击力；然后以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击延寿处理，接着将高温加热板加热并保持在200℃，再以激光束进行温控冲击延寿处理；接着去除高温合金试件表面涂覆的吸收层；最后利用去离子水清洗后用干燥的氮气吹干。采用本发明激光冲击强化方法，制定与镍基高温合金相适应的工艺过程和各参数，使得高温合金试件表面显微硬度可提高20％以上(相比于未处理的试样)；
2、采用本发明激光冲击强化方法，可有效防止高温合金试件表面的微裂纹萌生；
3、采用本发明激光冲击强化方法，可使高温合金试件的使用寿命提高30％以上(相比于未处理的试样)。
附图说明
图1是本发明高温合金试件进行激光冲击强化处理工艺流程图。
图2是本发明所使用的疲劳试件规格。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明为镍基高温合金的激光冲击强化方法，其工艺流程如图1所示。以下实施例所用镍基高温合金试件包括常规试件和疲劳试件，其中：常规试件为正方形薄壁件(正方形板状件)，其厚度为2mm，两面均为平面，一个表面为工作端面，需进行抛光处理，另一个表面为非工作面，无需进行特殊处理，但要保证能与工作台紧密贴合，保证加热板热量能快速均匀传导至试件。疲劳试件为条状件(其具体形状可按国标规定或根据试验机的具体结构而定)，实施例中疲劳试件厚度4mm(即疲劳试样厚度)，中间部分为内圆弧缺口(图2)，两面都需要抛光处理。
本发明所述的高温合金试件工作端面指经过抛光打磨后的光滑面。
本发明所述的黑漆、黑胶带对于532nm或1064nm的激光束不透明，当激光束辐照在黑漆、黑胶带表面时，黑漆、黑胶带能够吸收激光能量，产生高温高压的等离子体，并防止激光束灼伤高温合金试件表面。例如3M公司的3M471号胶带、3M425胶带，鹿头42m胶带，3M公司的4-1000铝箔胶带，大桥牌型号600的黑漆。
实施例1
试件材料：上海彤升实业有限公司生产的GH4169高温合金加工成的试件；
将常规试件放入装有水温为23℃去离子水的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层黑胶带；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度2mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为12ns、波长为1064nm、激光能量为3J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在200℃温度下，以脉宽为12ns、波长为1064nm、激光能量为6J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行温控冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度为24℃，酒精浓度为90％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2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对疲劳试件进行上述操作实施。
实施例2
试件材料：上海彤升实业有限公司生产的GH4169高温合金加工成的试件；
将常规试件放入装有水温为23℃去离子水的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层铝箔；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度2.5mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为17ns、波长为1064nm、激光能量为4J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在200℃温度下，以脉宽为17ns、波长为1064nm、激光能量为8J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行温控冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度为24℃、酒精浓度为90％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2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对疲劳试件进行上述操作实施。
实施例3
试件材料：上海彤升实业有限公司生产的GH4169高温合金加工成的试件；
将常规试件放入装有水温为23℃去离子水的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min；
用0.6MPa的干燥的氮气吹干，然后放入100℃的干燥箱中干燥10min；
在万级洁净间中，在试件的工作端面(前端)覆盖一层厚度为120μm的吸收层黑漆；
将覆盖有吸收层的试件安装在工作台上，试件的工作端面朝向激光束，并在吸收层上施加一层厚度3mm厚的约束层，约束层选用K9光学透光玻璃；
以脉宽为20ns、波长为532nm、激光能量为5J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行预冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击1遍；
再在200℃温度下，以脉宽为20ns、波长为532nm、激光能量为10J、重复频率为2Hz、光束直径为2mm的激光束进行温控冲击延寿处理，其中搭接率为20％，冲击2遍；
之后去除试件工作端面涂覆的吸收层：将试件放入装有温度为24℃、酒精浓度为90％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2min后用干燥的氮气吹干。
同样参数下对疲劳试件进行上述操作实施。
实施例4
将以上实施例1-3处理后的高温合金试件做显微硬度试验和延长寿命试验。
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0.2N，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：用YAW-1000M疲劳试验机对三组高温合金疲劳试件进行疲劳实验。每个实例测试5个疲劳试件，取平均值，环境温度22±2℃，环境湿度40-60％。
上述实施例1-3高温合金试件表面显微硬度与寿命如表2所示。
表2激光冲击前后试件显微硬度及寿命的对比
实施例5
与实施例1不同之处在于：试件材料为GH4069和GH136高温合金加工成的试件；经与实施例1同样的激光冲击强化处理后，GH4069和GH136高温合金试件的显微硬度提高20-30％，疲劳寿命提高30％以上。
由上述表2和实施例5的试验数据中可知，镍基高温合金试件在采用本发明的激光冲击强化处理后，显微硬度得到了明显提高，疲劳寿命也大幅提高。

Claims (5)

1.一种镍基高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：该方法是采用激光冲击强化技术对镍基高温合金试件进行强化处理，该方法具体包括如下步骤：
(1)试件表面覆盖吸收层：在洁净间中，在镍基高温合金试件的工作端面上覆盖厚度为80-150μm的吸收层；所述吸收层为黑漆、铝箔或黑胶带；
(2)施加约束层：将覆盖有吸收层的高温合金试件安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层；所述约束层为光学透光玻璃；
(3)激光预冲击处理：将高温合金试件工作端面朝向激光束，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为0.5-10J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行预冲击处理；预冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击1-2遍；进行激光预冲击处理时使用的激光能量为步骤(4)进行冲击处理时使用的激光能量的二分之一；
(4)激光冲击处理：预冲击处理后，将试件下的加热板加热至200℃，然后在加热板在200℃的条件下，以脉宽为3-40ns、波长为532nm或1064nm、激光能量为1-20J、重复频率为0.1-10Hz、光束直径为0.5-10mm的激光束进行冲击处理；冲击处理中，搭接率为0-50％，冲击2-6遍。
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：在试件表面覆盖吸收层之前，对试件工作端面进行预处理，预处理过程为：将试件放入装有20-24℃去离子水的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗8-10min；再用0.4-0.8MPa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在100℃干燥10min。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：在对镍基高温合金试样进行激光冲击处理后，对试样表面进行清洗，清洗过程为：首先去除试件工作端面涂覆的吸收层，然后将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的酒精的超声清洗机中，在超声频率为38-47kHz条件下清洗10-15min，再用去离子水冲洗1-2min后，用干燥的氮气吹干。
4.根据权利要求1所述的镍基高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，吸收层以粘贴或涂覆的方式覆盖于试件工作端面上，吸收层的厚度要求均匀，吸收层与试件表面之间无气泡。
5.根据权利要求1所述的镍基高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(2)中，施加的约束层是光学透光玻璃，要求玻璃能够透过波长532nm和1064nm的激光束，并要求玻璃与吸收层之间贴合紧密无缝隙。
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