CN109207906B

CN109207906B - 一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置和方法

Info

Publication number: CN109207906B
Application number: CN201811160014.4A
Authority: CN
Inventors: 任旭东; 童照鹏; 焦加飞; 周王凡; 陈兰; 陈炳泉
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2038-09-30
Also published as: CN109207906A

Abstract

本发明涉及一种激光高温冲击‑渗氮复合加工装置和方法，包括激光高温冲击系统、渗氮加工系统、控制计算机。首先通过渗氮加工系统对材料进行第一次高温高压渗氮处理，在试样表面生成一定深度的氮化层，然后将渗氮炉解压，根据材料动态时效应变的温度要求，调节渗氮炉内部温度并保温，启动激光高温冲击系统对材料表面进行第一次冲击强化，在材料表面生成高密度的位错、位错缠结及亚晶界，并诱导氮原子与金属原子发生高温相变反应。进而还可以进行第二次渗氮和第二次激光冲击强化。本发明可以大幅度提高材料的抗高温氧化性、耐磨性、抗蚀行和高温疲劳性能，且装置简单，操作容易，加工效率高。

Description

一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置和方法

技术领域

本发明涉及一种提高材料抗疲劳性能性能的表面加工技术，具体说是一种提高材料抗疲劳性能的激光高温冲击-渗氮复合加工装置和方法。

背景技术

不锈钢、合金钢、钛合金等合金材料是工业生产中使用最为广泛的材料，但是这些材料均存在硬度低，抗磨损能力和抗疲劳性能差等缺点，要求零件具有良好的力学性能，对材料表面进行强化处理是非常有必要的。渗氮处理由于拥有处理温度低、处理后零件变形小、表面硬度高、疲劳抗性好等优点而广泛应用；此外，激光高温冲击强化技术可以使材料表面生成高密度的位错、位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出增强相，并能诱导产生高幅值的残余压应力，也是一种可以提高材料力学性能的表面改性技术。但是渗氮技术存在加工效率低，操作复杂，表面粗糙度高，均匀性差，氮化层薄等缺点，此外，单纯利用激光高温冲击存在无法在材料表面获得高硬度层和高温应力释放等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置和方法，综合提高材料的力学性能。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置，包括渗氮箱和氨气瓶，所述渗氮箱包括渗氮箱外壳和高频感应加热线圈，所述渗氮箱外壳和所述高频感应加热线圈之间设有真空隔热层，所述渗氮箱的上腔壁面上安装有激光头，所述渗氮箱腔体底部安装有工作台底座，所述工作台底座上安装有三轴工作台，所述渗氮箱的腔壁上设有进气口和出气口，所述氨气瓶通过气管与所述进气口相连，所述出气口通过气管与废气储存箱连接，所述渗氮箱上安装有真空系统。

上述方案中，所述激光头内部设有三个共截面的通道，中心通道供激光束通过，另外两个通道作为输气通道。

上述方案中，所述输气通道与蓄压器连通。

上述方案中，所述渗氮箱内还安装有温度传感器探头和压力传感器探头。

上述方案中，所述渗氮箱上安装有黑漆导管，所述黑漆导管输入端连接有黑漆储罐。

本发明还提供一种利用激光高温冲击-渗氮复合加工装置进行加工的方法，包括以下步骤：S1将试样打磨清洗干净后放置在三轴工作台上，渗氮箱呈密封状态；S2打开真空系统，对渗氮箱内部进行抽真空处理，完成抽真空之后，打开高频感应加热控制器对渗氮箱内部进行加热并同时对渗氮箱内部充氨气，充氨气结束后，对渗氮箱内部进行定时保温，对试样进行第一次渗氮处理；S3第一次渗氮处理结束后，打开真空系统对渗氮箱内部进行解压，将渗氮废气排放到废气储存箱内，结束后，关闭真空系统；S4移动三轴工作台将试样送至黑漆导管输出处，通过控制三轴工作台对试样表面进行喷漆处理；重新设定高频感应加热控制器温度，将试样加热至动态时效应变的温度，对试样进行激光高温冲击处理，直至激光高温冲击完成。

上述方案中，还可以增加：S5重复S2动作，对试样进行第二次渗氮处理；S6重复S3动作，对渗氮箱进行解压和废气收集；S7重复S4动作，对试样进行第二次激光高温冲击处理。

上述方案中，所述S2中，高频感应加热控制器可加热的温度范围为25-600℃，保温时间为0-1000h；真空系统可抽真空到10-15Pa，冲入氨气可维持工作气压150-450Pa；氨气为高纯氨气；

上述方案中，所述S4中，采用纳米脉冲激光器，激光器能量为5-15J，激光光束直径为2-6mm，可控制三轴工作台实现30-70％搭接率进行激光冲击。

本发明的有益效果：采用激光高温冲击-渗氮复合强化的加工方法对材料表面进行处理，首先对材料进行高温高压渗氮处理，在试样表面生成一定深度的氮化层，然后对材料表面进行第一次激光高温冲击强化，在材料表面生成高密度的位错、位错缠结及亚晶界，并诱导氮原子与金属原子发生相变反应，生成强化相，并有效的解决了渗氮层表面粗糙度大，均匀性差的问题；然后又对材料进行第二次渗氮处理，第一次激光高温冲击强化诱导产生的高密度的位错、位错缠结及亚晶界有利于第二次渗氮处理过程中，氮原子向材料内部更深层的方向快速扩散，有利于生成更深的氮化层；对材料表面进行第二次激光高温冲击强化后，在氮化层表面又生成高幅值残余压应力和细化晶粒，对材料的力学性能的再次提升起到关键性的作用。(2)本发明所提供的装置可实现材料表面渗氮和激光高温冲击强化依次无间断加工，无需对材料进行拆卸搬运，减少中间过程时间，为高效加工装置。本装置结构简单，操作容易，成本较低。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是加工后的试样结构示意图。

图中：1-气压泵，2-压力表，3-蓄压器，4-压力传感器，5-激光器，6-温度传感器，7-温度传感器探头，8-压力传感器探头，9-反光镜，10-激光束，11-输气通道，12-耐高压透镜，13-黑漆导管，14-控制计算机，15-高频感应加热控制器，16-三轴工作台控制器，17-氨气瓶，18-进气口，19-渗氮箱外壳，20-真空隔热层，21-高频感应加热线圈，22-工作台底座，23-工件，24-三轴工作台，25-激光头，26-废气储存箱，27-黑漆储罐，28-真空系统，29-高压气层，30-出气口，32-黑漆储罐电磁阀，33-渗氮箱，34-废气储存箱电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施事例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明所述一种提高材料抗疲劳性能的激光高温冲击-渗氮复合加工的装置，包括激光高温冲击系统、渗氮加工系统、控制计算机14。所述激光高温冲击系统包括：气压泵1、压力表2、蓄压器3、激光器5、反光镜9、输气通道11、耐高压透镜12、黑漆导管13、激光头25、黑漆储罐27、黑漆储罐电磁阀32；所述激光头25内部设有三个通道，中心通道供激光束通过，中心通道旁侧的输气通道11用于高压气体通过，蓄压器3通过输气通道11与激光头25相连，将高压气体通过两个旁侧的输气通道11喷射到工件23表面产生高压气层29，高压气层29可以替代流水或玻璃对激光诱导的等离子体进行约束；所述耐高压透镜12安装在中心通道内部，以防高压气体泄漏，降低气体压强。

所述黑漆储罐27通过黑漆导管13将黑漆喷涂在渗氮箱内部的工件23表面，用于激光高温冲击过程中气化、电离产生等离子体。

所述渗氮加工系统包括：压力传感器4、温度传感器6、温度传感器探头7、压力传感器探头8、高频感应加热控制器15、三轴工作台控制器16、氨气瓶17、进气口18、渗氮箱外壳19、真空隔热层20、高频感应加热线圈21、工作台底座22、三轴工作台24、废气储存箱26、真空系统28、渗氮箱33。所述真空系统28在渗氮处理之前，对渗氮箱33抽真空处理，而后所述氨气瓶17通过氨气导管31经进气口18可向渗氮箱33中输送氨气；高频感应加热控制器15，控制安装在渗氮箱33内壁的高频感应加热线圈21对渗氮箱33内部进行快速加热；所述废气储存箱26经出气口30通过氨气导管收集渗氮处理之后的废气。

下面以不锈钢表面激光高温冲击-渗氮复合加工为例，使用本发明一种提高材料抗疲劳性能的激光高温冲击-渗氮复合加工的方法和装置，设备示意图如图1所示。具体步骤包括：

A.将试样打磨清洗干净后放置在三轴工作台24上，密封关闭渗氮箱33；B.打开真空系统28，对渗氮箱33内部进行抽真空处理，完成抽真空之后，打开高频感应加热控制器15对渗氮箱33内部进行加热并同时对渗氮箱33内部充氨气，通过观察压力传感器4和温度传感器6检测渗氮箱33内部的温度和压力，充氨气结束后，关闭氨气瓶17阀门，对渗氮箱33内部进行定时保温，对试样进行第一次渗氮处理；其中，设置高频感应加热控制器15加热的温度为500℃，保温时间为10h；真空系统28可抽真空到10Pa，冲入氨气可维持工作气压200Pa；氨气为高纯氨气；C.第一次渗氮处理结束后，打开真空系统28和废气储存箱电磁阀34，对渗氮箱33内部进行解压，并将渗氮废气排放到废气储存箱26内，结束后，关闭真空系统28和废气储存箱电磁阀34；D.移动三轴工作台24将试样送至喷漆位置，打开黑漆储罐电磁阀32，通过控制三轴工作台24对试样表面进行喷漆处理；重新设定高频感应加热控制器15温度，将试样加热至动态时效应变的温度，同时打开气压泵1和激光器5，对试样进行激光高温冲击处理。试样表面的黑漆受激光束的作用气化、电离产生等离子体，等离子体受高压气层29的约束后直接作用在试样表面，使试样表面发生塑性变形；激光高温冲击完成之后，关闭气压泵1和激光器5；其中激光器能量为6J，激光光束直径为4mm，可控制三轴工作台24实现50％搭接率进行激光冲击E.重复B动作，对试样进行第二次渗氮处理；F.重复C动作，对渗氮箱31解压和废气收集；G重复D动作，对试样进行第二次激光高温冲击处理；H.所有的加工工序结束后，控制计算机关闭所有设备，取下试样，试样结构示意图如图2所示。

Claims

1.一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置，包括渗氮箱（33）和氨气瓶（17），其特征在于，所述渗氮箱（33）包括渗氮箱外壳（19）和高频感应加热线圈（21），所述渗氮箱外壳（19）和所述高频感应加热线圈（21）之间设有真空隔热层（20），所述渗氮箱（33）的上腔壁面上安装有激光头（25），所述渗氮箱（33）腔体底部安装有工作台底座（22），所述工作台底座（22）上安装有三轴工作台（24），所述渗氮箱（33）的腔壁上设有进气口（18）和出气口（30），所述氨气瓶（17）通过气管与所述进气口（18）相连，所述出气口（30）通过气管与废气储存箱（26）连接，所述渗氮箱（33）上安装有真空系统（28）；所述激光头（25）内部设有三个共截面的通道，中心通道供激光束通过，中心通道由耐高压透镜（12）密封，另外两个通道作为输气通道（11），所述输气通道（11）与蓄压器（3）连通。

2.根据权利要求1所述的一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置，其特征在于，所述渗氮箱（33）内还安装有温度传感器探头（7）和压力传感器探头（8）。

3.根据权利要求1所述的一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置，其特征在于，所述渗氮箱（33）上安装有黑漆导管（13），所述黑漆导管（13）输入端连接有黑漆储罐（27）。

4.一种利用权利要求3所述的激光高温冲击-渗氮复合加工装置进行加工的方法，包括以下步骤：

S1 将试样打磨清洗干净后放置在三轴工作台（24）上，渗氮箱（33）呈密封状态；

S2 打开真空系统（28），对渗氮箱（33）内部进行抽真空处理，完成抽真空之后，打开高频感应加热控制器（15）对渗氮箱（33）内部进行加热并同时对渗氮箱（33）内部充氨气，充氨气结束后，对渗氮箱（33）内部进行定时保温，对试样进行第一次渗氮处理；

S3 第一次渗氮处理结束后，打开真空系统（28）对渗氮箱（33）内部进行解压，将渗氮废气排放到废气储存箱（26）内，结束后，关闭真空系统（28）；

S4 移动三轴工作台（24）将试样送至黑漆导管（13）输出处，通过控制三轴工作台（24）对试样表面进行喷漆处理；重新设定高频感应加热控制器（15）温度，将试样加热至动态时效应变的温度，对试样进行激光高温冲击处理，直至激光高温冲击完成；

S5 重复S2动作，对试样进行第二次渗氮处理；

S6 重复S3动作，对渗氮箱（33）进行解压和废气收集；

S7 重复S4动作，对试样进行第二次激光高温冲击处理。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述S2中，高频感应加热控制器（15）可加热的温度范围为25-600℃，保温时间为0-1000h；真空系统（28）可抽真空到10-15Pa，冲入氨气可维持工作气压150-450Pa；氨气为高纯氨气。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S4中，采用纳米脉冲激光器，激光器能量为5-15J，激光光束直径为2-6mm，可控制三轴工作台（24）实现30-70%搭接率进行激光冲击。