CN111235508A - 一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钛合金材料处理领域，特指一种超低温下置氢辅助激光冲击强化化钛合金组织的装置及方法。本发明利用激光冲击所产生的超高应变率来促进钛合金内部微观结构的细化。将氢的气态形式和液态形式充分利用，提高了氢的利用效率。利用钛合金具有在超低温的环境中也能保持一定的优良性能的特点，以超低温‑253℃作为激光冲击强化的环境温度，进一步的提升了钛合金在超低温下的强韧性特征。

Description

一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置及方法
技术领域
本发明属于钛合金材料处理领域，特指一种超低温下置氢辅助激光冲击强化化钛合金组织的装置及方法。
背景技术
钛合金是以钛元素为基础加入其他元素而组成的合金，因具有强度高，抗蚀性好，低温性能好，化学活性大而被广泛应用于航天航空等领域中。钛合金根据基体组织可分为α钛合金，α+β钛合金以及β钛合金。α钛合金由单一α相固溶体组成，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛。α+β钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化，所以应用也最为广泛。β相固溶体组成的单相合金，具有较高的强度。
近些年来，已有研究表明加入少量的氢元素可以使钛合金的晶粒细化。氢元素进入钛合金内部与钛合金形成氢化物，并且这种氢化物周围会聚集大量的位错。当氢化物析出时，钛合金内部会留下大量的形核位，为往后的再结晶提供有力的条件。激光冲击由于具有较高的应变率而被应用于许多表面技术处理领域中。钛合金在经过激光冲击强化后其表面会产生密集稳定的位错结构，从而促进晶粒的细化。
本发明提出了一种将氢处理技术与激光冲击技术相结合的装置与方法，利用激光冲击所产生的超高应变率来促进钛合金内部微观结构的细化。将氢的气态形式和液态形式充分利用，提高了氢的利用效率。而且，钛合金具有在超低温的环境中也能保持一定的优良性能的特点，所以在本发明中以超低温-253℃作为激光冲击强化的环境温度，进一步的提升了钛合金在超低温下的强韧性特征。
发明内容
为了进一步提升钛合金的综合性能，本发明提供了一种将氢处理技术和激光冲击技术相结合的装置与方法，从增加钛合金的内部稳定的位错结构和形核位的角度促进钛合金的再结晶过程，导致晶粒的细化，从而获得较高的强度，硬度和优异的韧性。
本专利提供一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置，其特征在于，所述装置包括控制中心，激光冲击系统，氦液化器，氢气储存瓶和处理腔；输氢阀连接氢气储存瓶与处理腔，氢气通过输氢阀从氢气储存瓶进入处理腔中；输氦阀连接氦液化器与液氦腔，液氦通过输氦阀从氦液化器进入液氦腔中；排气阀与处理腔相连，处理腔中的气体通过排气阀排出；液氦腔位于处理腔的下方，与处理腔隔着一层导热板；处理腔内设有工作台，泵，加热片，固定夹具，温度感应器，压强感应器，其中固定夹具安装在工作台上，温度感应器与压强感应器位于处理腔的右侧内壁上，工作台处于处理腔底部中间位置，加热片嵌入工作台表面位于固定夹具下方，泵位于处理腔内部左侧部分；激光冲击系统位于处理腔的上方，包括激光器和光学镜片，激光器发出的光束通过光学镜片照射在采用固定夹具固定于工作台上的钛合金上；控制中心连接并控制温度感应器，压强感应器，氦液化器，激光器和加热片。
所述液氦腔与处理腔之间的导热板采用传热性能优异的铜板。
本专利提供一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的方法，其步骤为：
A)预处理Ti6Al4V钛合金试样并在预处理后的钛合金试样的冲击面贴上铝箔。
B)用固定夹具将钛合金试样固定在处理腔内的工作台上。
C)先打开排气阀，将处理腔内的空气都排出。然后关闭排气阀并打开输氢阀将氢气储存瓶中的氢气输送到处理腔中，通过加热片加热以及不断输氢增大压强来将气体氢压入钛合金试样之中，其中置氢处理过程中的氢气气压应达到10kPa-30kPa，处理腔温度700-800℃，保温保压1-2h。
D)关闭加热片，打开氦液化器并且向液氦腔中缓慢输入液氦，通过温度感应器观察处理腔内的温度；当温度稳定-253℃，调节输氦阀以控制液氮流入的速率来使处理腔内保持温度恒定，同时氢气在极低温下液化；当处理腔内的液氢淹没钛合金表面后，关闭输氢阀打开泵将处理腔内的液氢循环输送到钛合金表面。
E)打开激光器对钛合金试样表面进行激光冲击，其中激光冲击的参数；激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，光斑横纵向搭接率30％，激光冲击时长20-30s。
F)最后关闭激光器，打开排气阀，缓慢将处理腔内部温度升到室温，，取出处理完的合金试样。
所述预处理Ti6Al4V钛合金试样是指常规的打磨、清洗Ti6Al4V钛合金的待冲击强化表面，本发明不再详细阐述。
本发明装置和方法的增益效果如下；
1.本发明通过氢处理技术使钛合金内部产生大量的氢化物，然后再通过激光冲击技术和超低温环境使氢化物析出而留出许多的形核位并产生大量稳定的位错结构，促进钛合金的内部再结晶，从而导致超细晶粒的产生。
2.本发明利用氢的气态形式增强压强，置氢，再利用氢的液态形式作为约束层，提高冲击峰值压力，延长冲击作用时间。同时用泵来循环利用液氢，最大化的提高了氢利用效率。
3.本发明通过温度感应器与氦液化器的结合，以控制液氦的流入速度来精确控制处理腔内的温度。
4.本发明通过液氦来作为降低环境温度的手段，极大的降低了装置成本。
附图说明
图1为一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置图。
表1为实例1与实例2的性能对比表格图。
图中，1、控制中心；2、激光器；3、光学镜片；4、光束；5、泵；6、加热片；7、固定夹具；8、工作台；9、温度感应器；10、压强感应器；11、氦液化器；12、输氦阀；13、液氦腔；14、氢气储存瓶；15、输氢阀；16、排气阀；17、处理腔。
具体实施方式
预处理：将Ti6Al4V钛合金打磨，清洗，干燥后，在其表层铺上一层0.1mm厚的铝箔，通过固定夹具7将钛合金固定在工作台8上。
置氢处理：打开输氢阀15，将氢气储存瓶14中的氢气通入处理腔17中。同时通过控制中心1打开加热片6，使处理腔17的温度达到700-800℃。并通过压强感应器10感应处理腔17内的实时压强，控制氢气的流速使压强达到10kPa-30kPa，保温保压1-2h。
氢液化处理；置氢完成后，打开氦液化器11与输氦阀12，使液氦流入液氦腔13中。温度感应器9感应腔内的实时温度，通过控制液氦的流速来精确控制处理腔17的环境温度，使其保持在-253℃，此时氢气液化并囤积在处理腔17内。
激光冲击处理：当液氢能够淹没钛合金表面后，打开泵5将液氢送入钛合金的表面作为约束层，循环往复利用。然后打开激光器2，调节激光冲击的功率参数为；激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，光斑横纵向搭接率30％，然后进行激光冲击，激光冲击时长20-30s。
最后，关闭激光器2，输氢阀15，输氦阀12，打开排气阀16，将处理腔17静置到室温后，取出处理完的合金试样。
实例1
激光冲击Ti6Al4V
将10mm×10mm×2mm的Ti6Al4V钛合金预处理后，表面增加一层0.1mm厚的铝箔并放置于工作台8上，通过控制中心1调节激光器2的激光参数为；激光波长1024nm，激光能量6J，脉冲频率1Hz，光斑横纵向搭接率30％。然后激光器2产生光束4经过光学镜片3照射到钛合金的表面，对钛合金进行激光冲击强化，激光冲击时长25s。
实例2
超低温置氢激光冲击Ti6Al4V
将10mm×10mm×2mm的Ti6Al4V钛合金预处理后，表面增加一层0.1mm厚的铝箔并固定于工作台8上。打开输氢阀15，将氢气储存瓶14中的氢气通入处理腔17中。同时通过控制中心1打开加热片6，使处理腔17的温度达到750℃。并通过压强感应器10感应处理腔17内的实时压强，控制氢气的流速使压强达到20kPa，保温保压1.5h。置氢完成后，打开氦液化器11与输氦阀12，使液氦流入液氦腔13中。温度感应器9感应腔内的实时温度，通过控制液氦的流速来精确控制处理腔17的环境温度，使其保持在-253℃，此时氢气液化并囤积在处理腔17内。当液氢达到10cm高度，能够淹没钛合金表面后，打开泵5将液氢送入钛合金的表面作为约束层，循环往复利用。然后打开激光器2，调节激光冲击的功率参数为；激光波长1024nm，激光能量6J，脉冲频率1Hz，光斑横纵向搭接率30％，然后进行激光冲击，激光冲击时长25s。冲击完毕后，关闭激光器2，输氢阀15，输氦阀12，打开排气阀16，将处理腔17静置到室温后，取出处理完的合金试样。
经过扫描电子显微镜检测后，观察到实例2处理过的试样的平均晶粒大小比实例1处理过的试样要小19.4％。且经过硬度测试后发现实例2的硬度与明显高于实例1。
表1实例2与实例1的平均晶粒尺寸和硬度对比
硬度/HV 平均晶粒尺寸/nm
实例1 510 64.7
实例2 543 52.0

Claims (6)

1.一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置，其特征在于，所述装置包括控制中心，激光冲击系统，氦液化器，氢气储存瓶和处理腔；输氢阀连接氢气储存瓶与处理腔，氢气通过输氢阀从氢气储存瓶进入处理腔中；输氦阀连接氦液化器与液氦腔，液氦通过输氦阀从氦液化器进入液氦腔中；排气阀与处理腔相连，处理腔中的气体通过排气阀排出；液氦腔位于处理腔的下方，与处理腔隔着一层导热板；处理腔内设有工作台，泵，加热片，固定夹具，温度感应器，压强感应器，其中固定夹具安装在工作台上，温度感应器与压强感应器位于处理腔的右侧内壁上，工作台处于处理腔底部中间位置，加热片嵌入工作台表面位于固定夹具下方，泵位于处理腔内部左侧部分；激光冲击系统位于处理腔的上方，包括激光器和光学镜片，激光器发出的光束通过光学镜片照射在采用固定夹具固定于工作台上的钛合金上；控制中心连接并控制温度感应器，压强感应器，氦液化器，激光器和加热片。
2.如权利要求1所述的一种置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的装置，其特征在于，所述液氦腔与处理腔之间的导热板采用传热性能优异的铜板。
3.使用如权利要求1所述装置置氢辅助激光冲击强化钛合金组织的方法，其特征在于，具体步骤为：
A)预处理Ti6Al4V钛合金试样并在预处理后的钛合金试样的冲击面贴上铝箔；
B)用固定夹具将钛合金试样固定在处理腔内的工作台上；
C)先打开排气阀，将处理腔内的空气都排出，然后关闭排气阀并打开输氢阀将氢气储存瓶中的氢气输送到处理腔中，通过加热片加热以及不断输氢增大压强来将气体氢压入钛合金试样之中；
D)关闭加热片，打开氦液化器并且向液氦腔中缓慢输入液氦，通过温度感应器观察处理腔内的温度；当温度稳定-253℃，调节输氦阀以控制液氮流入的速率来使处理腔内保持温度恒定，同时氢气在极低温下液化；当处理腔内的液氢淹没钛合金表面后，关闭输氢阀打开泵将处理腔内的液氢循环输送到钛合金表面；
E)打开激光器对钛合金试样表面进行激光冲击；
F)最后关闭激光器，打开排气阀，缓慢将处理腔内部温度升到室温，取出处理完的合金试样。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，步骤A)中，所述预处理Ti6Al4V钛合金试样是指打磨、清洗Ti6Al4V钛合金的待冲击强化表面；所述铝箔厚度为0.1mm。
5.如权利要求3的方法，其特征在于，步骤C)中，置氢处理过程中的氢气气压应达到10kPa-30kPa，处理腔温度700-800℃，保温保压1-2h。
6.如权利要求3的方法，其特征在于，步骤E)中，激光冲击的参数；激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，光斑横纵向搭接率30％，激光冲击时长20-30s。
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