CN109234506B - 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法 - Google Patents

一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109234506B
CN109234506B CN201811175709.XA CN201811175709A CN109234506B CN 109234506 B CN109234506 B CN 109234506B CN 201811175709 A CN201811175709 A CN 201811175709A CN 109234506 B CN109234506 B CN 109234506B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal workpiece
laser
mechanical
shot blasting
dynamic recrystallization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811175709.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109234506A (zh
Inventor
薛遥
吴刘军
鲁金忠
罗开玉
薛伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University
Institute of Laser and Optoelectronics Intelligent Manufacturing of Wenzhou University
Original Assignee
Jiangsu University
Institute of Laser and Optoelectronics Intelligent Manufacturing of Wenzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University, Institute of Laser and Optoelectronics Intelligent Manufacturing of Wenzhou University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201811175709.XA priority Critical patent/CN109234506B/zh
Publication of CN109234506A publication Critical patent/CN109234506A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109234506B publication Critical patent/CN109234506B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • C21D2221/10—Differential treatment of inner with respect to outer regions, e.g. core and periphery, respectively
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Abstract

本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法。采用连续的激光束对金属工件表面进行局部加热至动态再结晶温度范围，保持动态再结晶温度范围的同时，采用机械喷丸工艺大面积强化金属工件，从而在金属工件表层获得更深深度的梯度纳米结构层及更优的纳米量级‑亚微米量级‑微米量级梯度结构层。

Description

一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法。
背景技术
纳米金属材料具有强度和硬度高、物理性能、磨损性能和热加工性能好等优势。但是伴随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性明显降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，上述不足制约了纳米结构材料的应用和发展。随着工程结构向高强度和轻量化的发展，传统的均一材料，比如粗晶材料和纳米晶材料，都已无法满足工程结构件在极端服役环境下的性能要求。中科院金属研究所卢柯院士的研究表明：金属材料的强度增加是以牺牲粗晶或者纳米晶的塑性为代价，纳米晶–粗晶混合材料的强度–塑性综合性能不高。但梯度纳米材料表现出优良的强度–塑性综合性能。显然，基于塑性变形构筑的梯度纳米结构，具有细晶与粗晶的综合特征，能有效克服纳米结构低塑性和低韧性的缺陷，明显提升金属工件的强度、耐磨性以及热稳定性，最大程度上提升了金属工件的综合性能。
机械喷丸(shot peening,SP)是一种是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，即使用球丸轰击工件表面并植入残余压应力，提升工件疲劳强度的冷加工工艺。广泛用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等。喷丸处理的优点是设备简单、成本低廉，不受工件形状和位置限制，操作方便。但是机械喷丸所诱导的塑性变形层较浅，残余压应力无法深入材料内部，不能有效消除疲劳源的萌生。
通过增加变形温度可以有效提高金属工件的塑性，同时，高温也能产生有益的微结构变化，高温使纳米级析出相在金属工件中生成，从而达到析出强化的效果；当温度达到金属工件的动态再结晶温度时，金属工件表面发生动态再结晶，从而使晶粒细化，达到细晶强化的效果。但是对与大型的金属工件，加热整个金属工件既困难又浪费能源，而且在整个长时间的加工过程中都对金属工件进行加热，会导致金属工件材料的晶粒长大，适得其反。
激光辅助加热技术已广泛应用于工业中的高效局部加热，激光束可以在短时间内迅速将局部区域加热到非常高的温度，通过局部加热可以有效提高金属工件材料表面的塑性。相较于传统工艺对整个金属工件进行加热，激光辅助加热只是针对金属工件的目标部位进行局部加热，既节约能源又绿色环保，而且快速加热时间短，无法提供金属工件晶粒长大所需的时间，从而有效抑制了金属工件晶粒的长大。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，为了解决上述问题，本发明提出了一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法。即采用连续的激光束对金属工件表面进行局部加热至动态再结晶温度范围，保持动态再结晶温度范围的同时，采用机械喷丸工艺大面积强化金属工件，获得较深深度的梯度纳米结构。
所述金属工件材料为铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金等应用于航空航天、汽车轮船、化工等行业的关键重要部件的金属材料。
所述激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法为：先将金属工件待处理表面依次用400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#和2000#砂纸进行打磨并抛光，去除金属工件表面的氧化层，然后用去离子水进行超声清洗，去除金属工件表面的磨屑及污垢；确定与金属工件材料相关的机械喷丸工艺的喷丸压力、球丸直径、球丸粗糙度和扫描速度，当激光辅助加热使得金属工件表面温度处于动态再结晶温度范围时，保持金属工件表面温度处于动态再结晶温度范围，同时对金属工件的待处理区域进行大面积机械喷丸处理。
所述机械喷丸处理过程中，所述球丸为铸钢丸，所述喷丸压力为0.2～0.5MPa，钢丸直径为0.2～1mm，所述钢丸粗糙度为Ra 1.0～2.0，所述扫描速度为100～500mm/min，所述扫描路径为往复直线型或弓字形。
所述机械喷丸处理的同时，对金属工件表面进行激光辅助加热，使得金属工件表面温度保持在动态再结晶温度范围，两者协同同时工作，路径一致。
所述激光辅助加热过程为：根据金属工件的动态再结晶温度确定激光束的功率，使金属工件的温达到动态再结晶温度，并根据机械喷丸工艺的球丸直径和扫描速度确定激光束的直径扫描速度，使激光束的直径大于或等于球丸直径，两者的扫描速度保持一致。
所述激光辅助加热过程中，所述激光束功率为10～70W，所述激光束直径为0.2～2mm，所述激光束扫描速度为100～500mm/min，所述扫描路径为往复直线型或弓字形。
所述激光辅助加热机械喷丸处理后，在金属工件表层获得梯度纳米结构层，所述激光辅助加热加深了所述机械喷丸诱导的塑性变形层深度，并且提高了金属工件表层的塑性，从而在金属工件表层获得更深深度的梯度纳米结构层及更优的纳米量级-亚微米量级-微米量级梯度结构层。
经测定，采用所述激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法在TC4钛合金进行表面制备梯度纳米结构层，其纳米量级结构层厚为40～60μm，亚微米量级结构层厚为100～150μm，整个晶粒细化层厚为700～1000μm。
本发明有益效果：
(1)本发明有效实现了金属工件表面(铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢和镍基高温合金等)梯度纳米结构层的制备，为航空航天、汽车轮船、化工等行业金属关键重要部件的强化、修复提供了一种新型有效、节能环保的方法。
(2)本发明可以在金属工件材料表层获得更深深度的梯度纳米结构层，同时优化微结构分布的表层梯度纳米结构，针对当前技术局限性，结合当前技术的可行性，创新地提出了一种切实可行的方法。
(3)本发明有效提高了金属工件材料的表面质量，有效降低了金属工件表面后处理的成本。
(4)本发明不仅可以提高金属工件材料表面的塑性，而且可以提高其表面强度，从而突破了“塑性-强度”倒置问题，大幅度提高金属工件的疲劳寿命、耐磨性能等综合力学性能，从而降低了金属工件的耗材。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为激光辅助加热机械喷丸复合方法的工艺示意图。
图2为两个实施例试样尺寸示意图。
图3为TC4钛合金深度方向的显微硬度曲线。
图4为AM50镁合金深度方向的显微硬度曲线。
图中：1-金属工件，2-激光束，3-机械喷丸喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例一
一种使用上述方法制备TC4钛合金表层梯度纳米结构的实例，其步骤为：
(1)选用两个尺寸为15mm×15mm×5mm的TC4钛合金试样进行对比试验，分别记作试样1和试样2，其中，试样1为对比试样。
(2)将步骤(1)中的两个试样上表面依次用400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#和2000#砂纸进行打磨并抛光，然后用去离子水进行超声清洗，处理区域A如图2所示。
(3)对试样1按照步骤(2)中确立的区域A进行机械喷丸处理，其中机械喷丸工艺参数如下：喷丸压力为0.4MPa，钢丸直径为1mm，钢丸粗糙度为Ra 1.6，扫描速度为200mm/min，扫描路径为弓字形。
(4)对试样2进行激光辅助机械喷丸处理，其中激光束的参数如下：激光束功率为68W，激光束直径为1.5mm，激光束扫描速度为200mm/min，扫描路径为弓字形，机械喷丸的参数与步骤(3)相同，当激光辅助加热使得金属表面温度处于动态再结晶温度范围时，保持金属表面温度处于动态再结晶温度范围，同时对金属的待处理区域进行大面积机械喷丸处理。
如图1所示，在激光辅助机械喷丸处理过程中，沿试样深度方向形成了纳米层-亚微米层-微米层-基体粗晶层的梯度结构，并且由于激光辅助加热，塑性变形层深度增加，材料达到动态再结晶温度，表面纳米化更加充分。
如图3所示，与传统的机械喷丸相比，激光辅助机械喷丸处理后的表面硬度提高了很多，达到了557.32HV。同时由于塑形变形层深度的增加，硬度影响层的深度也得到了增加，与传统机械喷丸的300μm相比，提高到了700μm。
实施例二
一种使用上述方法制备AM50镁合金表层梯度纳米结构的实例，其步骤为：
(1)选用两个尺寸为15mm×15mm×5mm的AM50镁合金试样进行对比试验，分别记作试样3和试样4，其中，试样3为对比试样。
(2)将步骤(1)中的两个试样上表面依次用400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#和2000#砂纸进行打磨并抛光，然后用去离子水进行超声清洗，处理区域A如图2所示。
(3)对试样3按照步骤(2)中确立的区域A进行机械喷丸处理，其中机械喷丸工艺参数如下：喷丸压力为0.2MPa，钢丸直径为1mm，钢丸粗糙度为Ra 1.6，扫描速度为200mm/min，扫描路径为弓字形。
(4)对试样4进行激光辅助机械喷丸处理，其中激光束的参数如下：激光束功率为30W，激光束直径为1.5mm，激光束扫描速度为200mm/min，扫描路径为弓字形，机械喷丸的参数与步骤(3)相同，当激光辅助加热使得金属表面温度处于动态再结晶温度范围时，保持金属表面温度处于动态再结晶温度范围，同时对金属的待处理区域进行大面积机械喷丸处理。
如图1所示，在激光辅助机械喷丸处理过程中，沿试样深度方向形成了纳米层-亚微米层-微米层-基体粗晶层的梯度结构，并且由于激光辅助加热，塑性变形层深度增加，材料达到动态再结晶温度，表面纳米化更加充分。
如图4所示，与传统的机械喷丸相比，激光辅助机械喷丸处理后的表面硬度提高了很多，达到了94HV。同时由于塑形变形层深度的增加，硬度影响层的深度也得到了增加，与传统机械喷丸的250μm相比，提高到了600μm。

Claims (7)

1.一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，采用连续的激光束对金属工件表面进行局部加热至动态再结晶温度范围，保持动态再结晶温度范围的同时，采用机械喷丸工艺大面积强化金属工件，从而在金属工件表层获得梯度纳米结构层。
2.如权利要求1所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，所述金属工件材料为铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢或镍基高温合金。
3.如权利要求1所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，具体步骤为：先将金属工件待处理表面依次用400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#和2000#砂纸进行打磨并抛光，去除金属工件表面的氧化层，然后用去离子水进行超声清洗，去除金属工件表面的磨屑及污垢；确定与金属工件材料相关的机械喷丸工艺的喷丸压力、球丸直径、球丸粗糙度和扫描速度，当激光辅助加热使得金属工件表面温度处于动态再结晶温度范围时，保持金属工件表面温度处于动态再结晶温度范围，同时对金属工件的待处理区域进行大面积机械喷丸处理。
4.如权利要求3所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，所述机械喷丸工艺，球丸为铸钢丸，喷丸压力为0.2～0.5MPa，钢丸直径为0.2～1mm，钢丸粗糙度为Ra 1.0～2.0，扫描速度为100～500mm/min，所述扫描路径为往复直线型或弓字形。
5.如权利要求3所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，机械喷丸处理的同时，对金属工件表面进行激光辅助加热，使得金属工件表面温度保持在动态再结晶温度范围，两者协同同时工作，路径一致。
6.如权利要求3所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，所述激光辅助加热过程为：根据金属工件的动态再结晶温度确定激光束的功率，使金属工件的温度 达到动态再结晶温度，并根据机械喷丸工艺的球丸直径和扫描速度确定激光束的直径扫描速度，使激光束的直径大于或等于球丸直径，两者的扫描速度保持一致。
7.如权利要求3所述的一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法，其特征在于，所述激光辅助加热过程中，所述激光束功率为10～70W，所述激光束直径为0.2～2mm，所述激光束扫描速度为100～500mm/min，所述扫描路径为往复直线型或弓字形。
CN201811175709.XA 2018-10-10 2018-10-10 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法 Active CN109234506B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811175709.XA CN109234506B (zh) 2018-10-10 2018-10-10 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811175709.XA CN109234506B (zh) 2018-10-10 2018-10-10 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109234506A CN109234506A (zh) 2019-01-18
CN109234506B true CN109234506B (zh) 2020-05-22

Family

ID=65055810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811175709.XA Active CN109234506B (zh) 2018-10-10 2018-10-10 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109234506B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110904404B (zh) * 2019-12-25 2023-07-11 浙江工业大学 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置
CN111088469B (zh) * 2019-12-31 2021-06-18 江苏大学 一种铝合金表面强韧性的调控方法
CN114406600A (zh) * 2021-11-26 2022-04-29 中国科学院金属研究所 一种制备梯度纳米结构金属板材的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101289733A (zh) * 2008-06-25 2008-10-22 中国科学院力学研究所 激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法
CN101476092A (zh) * 2009-01-08 2009-07-08 上海交通大学 金属材料变温应力喷丸方法
CN101962710A (zh) * 2010-09-10 2011-02-02 江苏大学 一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法
CN102628095A (zh) * 2012-04-16 2012-08-08 江苏大学 一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法
CN107253148A (zh) * 2017-04-25 2017-10-17 江苏大学 一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法
CN108342671A (zh) * 2018-05-10 2018-07-31 西北工业大学 Tc4合金表层梯度纳米结构的高能喷丸制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050158460A1 (en) * 2004-01-21 2005-07-21 Williams Christopher C. Method for protecting new/used engine parts
WO2017213781A1 (en) * 2016-06-06 2017-12-14 Exxonmobil Research And Engineering Company High strength cryogenic high manganese steels and methods of making the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101289733A (zh) * 2008-06-25 2008-10-22 中国科学院力学研究所 激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法
CN101476092A (zh) * 2009-01-08 2009-07-08 上海交通大学 金属材料变温应力喷丸方法
CN101962710A (zh) * 2010-09-10 2011-02-02 江苏大学 一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法
CN102628095A (zh) * 2012-04-16 2012-08-08 江苏大学 一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法
CN107253148A (zh) * 2017-04-25 2017-10-17 江苏大学 一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法
CN108342671A (zh) * 2018-05-10 2018-07-31 西北工业大学 Tc4合金表层梯度纳米结构的高能喷丸制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109234506A (zh) 2019-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107253148B (zh) 一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法
CN109234506B (zh) 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法
CN109457092A (zh) 一种电阻加热辅助表面机械研磨形成梯度纳米结构的方法
CN1911596A (zh) 一种金属材料表面纳米层的加工方法及设备
An et al. Study of the surface nanocrystallization induced by the esonix ultrasonic impact treatment on the near-surface of 2024-T351 aluminum alloy
CN110052779B (zh) 轴类零件高性能表面复合强化方法
CN112708832A (zh) 一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法
CN103014249B (zh) 一种大幅度提高RuT300表面硬度的激光熔凝淬火工艺
Bukhari et al. Effect of laser surface remelting on Microstructure, mechanical properties and tribological properties of metals and alloys: A review
CN100390304C (zh) 金属基体与涂镀层之间的界面激光强韧化方法
Zhu et al. Grinding characteristics in high-speed grinding of boron-diffusion-hardened TC21-DT titanium alloy with vitrified CBN wheel
CN110284084B (zh) 一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法
CN109423543A (zh) 一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法
CN207483787U (zh) 一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置
CN101629227B (zh) 一种提高材料高温疲劳寿命的强化方法与装置
Rautio et al. Surface Roughness Improvement of Pbf-Lb Manufactured 316l with Dry Electropolishing
Dai et al. Surface roughness control of LY2 aluminum alloy milled surface subjected to laser shock wave planishing processing
Han et al. Research into grinding hardening of microalloyed non-quenched and tempered steel
Chen et al. Surface nanocrystallization of C45E4 steel by ultrafast electropulsing-ultrasonic surface treatment
Zhao et al. Control model and the experimental study on the ultrasonic vibration-assisted electrolytic in-process dressing internal grinding
CN111069703B (zh) 一种焊接接头疲劳延寿方法
Xiong et al. Effects of laser pulse energy on surface microstructure and mechanical properties of high carbon steel
Adu-Gyamfi et al. Effects of laser shock peening on mechanical properties and surface morphology of AA2024 alloy
Larson et al. Influencing effects of variant laser pulse energy on fatigue behavior induced by LSP
WO2024080326A1 (ja) 耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant