CN114959246A - 一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工领域，提供了一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法。通过对结构件件易产生疲劳破坏区域进行激光冲击强化处理，在不破坏零件主体结构和表面状态的条件下，在零件表面形成压应力层，提高零件的疲劳极限强度。本专利以8Cr4Mo4V轴承钢为例，先对材料进行真空淬火及回火热处理，后采用本发明的方法对8Cr4Mo4V轴承钢试样进行激光冲击强化，使得激光冲击强化区域形成较好的冲击强化层。本方法可以在材料表面冲击强化区域形成较均匀的应力分布，并减少由吸收保护层破坏而导致的材料表面损伤，使得冲击强化表面得到更好的强化效果。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法。
背景技术
激光加工技术是近代发展起来的一种先进清洁制造技术，特别是激光冲击强化技术能够在不改变合金表面化学成分和相组成的情况下，通过爆炸冲击的物理作用，改变材料表面的微观属性，提升材料表面综合力学性能。激光冲击强化技术作为一种能够改善表面应力状态、提升材料疲劳性能、提高材料耐腐蚀性的一种加工手段，在欧美国家的许多制造领域得到了应用。
经研究表明，以往的大部分研究聚焦在激光器参数对冲击强化效果的影响。如果针对应力分布不均匀、吸收层破坏的问题，考虑一种左右交替移动的强化路径，能够保障强化应力均匀及减少吸收层破坏问题，显著提高强化效果。
发明内容
针对上述涉及的问题，本发明的目的在于提供一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法。提出一种左右交替移动的强化路径，能够保障强化应力均匀及减少吸收层破坏问题，显著提高强化效果。
为解决上述技术问题，本发明具体提供以下述技术方案。
一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，具体包括如下步骤：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用砂纸或磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为70-100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带、铝箔或黑漆；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，打开激光器定位使激光束呈70-90°入射状态直射关键构件待强化区域中心位置；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度30-60°，水膜厚度范围为1-2mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为6-8J，脉宽设为15-19ns，方形光斑边长范围设置为3-4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及搭接率确定构件的移动距离；
步骤五：选中需要强化区域的中间位置，从零件的棱边位置或者选中点位置开始强化，进行激光冲击强化直至完成单道激光冲击强化。激光冲击强化方式按照单道线性方式进行，冲击强化路径上斑点间搭接率为30-50%，按照先中间后两边的方式进行。例如平面冲击强化时，可采用如图2所示的路径进行激光冲击强化。首先完成的单道激光冲击强化方式如路径1，然后再强化路径2，路径2上的斑点和路径1上的斑点相互搭接，搭接率为30-50%，完成路径2强化后，再强化路径3，仍然与路经1上的点搭接30-50%，如此由中间路径向两侧逐渐完成激光冲击强化，直至完成结构零件需要强化区域的冲击强化。
进一步地，所述步骤二中，构件装夹至机械臂卡盘时，要保障构件与卡盘呈90°。
进一步地，所述步骤四中，确定构件移动长度时，横向纵向搭接率均为30%-50%。
进一步地，所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于：所述步骤五中，平移试样时由中间至两边交替进行并保持激光束与待强化面呈70-90°入射状态直至冲击强化完成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明以8Cr4Mo4V轴承钢激光冲击强化为例，提出由中间至两边左右交替冲击强化的方法，保障了激光冲击强化的应力均匀分布，同时减少了由吸收保护层破坏而导致的强化表面损伤。
2、构件为曲面时，若单纯的只是平移构件待强化面，会导致强化效果大打折扣，而适当调整冲击角度能够最有效的保障冲击强化效果。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为平面试样激光冲击强化路径。
图3为实施例1平面试样激光冲击强化微观组织。
图4为对比例1平面试样激光冲击强化微观组织。
图5为弧面试样表面强化区域。
图6为弧面试样激光冲击强化路径（a为中间区域强化路径，b为左侧区域强化路径c为右侧区域强化路径）。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，具体包括如下步骤：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用砂纸或磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为70-100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带、铝箔或黑漆；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘，要保障构件与卡盘呈90°；并调整所需冲击强化试样表面位置，打开激光器定位使激光束呈70-90°入射状态直射关键构件待强化区域中心位置；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度30-60°，水膜厚度范围为1-2mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为6-8J，脉宽设为15-19ns，方形光斑边长范围设置为3-4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及搭接率确定构件的移动距离，确定构件移动长度时，横向纵向搭接率均为30%-50%；
步骤五：选中需要强化区域的中间位置，从零件的棱边位置或者选中点位置开始强化，进行激光冲击强化直至完成单道激光冲击强化；激光冲击强化方式按照单道线性方式进行，冲击强化路径上斑点间搭接率为30-50%，按照先中间后两边的方式进行；平移试样时由中间至两边交替进行并保持激光束与待强化面呈70-90°入射状态直至冲击强化完成。例如平面冲击强化时，可采用如图2所示的路径进行激光冲击强化。首先完成的单道激光冲击强化方式如路径1，然后再强化路径2，路径2上的斑点和路径1上的斑点相互搭接，搭接率为30-50%，完成路径2强化后，再强化路径3，仍然与路经1变点搭接30-50%，如此由中间路径向两侧逐渐完成激光冲击强化，直至完成结构零件需要强化区域的冲击强化。
下面结合图1对本发明采用的技术路线进行更详细的描述。
实施例1。
本实施例所采用的试样材料为8Cr4Mo4V轴承钢，具体试样如图2所示。
一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘同时要保持构件与卡盘呈90°，并调整所需冲击强化试样表面位置，打开激光器定位使激光束呈90°入射状态直射关键构件待强化区域中心位置；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45°，水膜厚度范围为1mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为8J，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm×4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及30%搭接率确定构件的移动长度；
步骤五：在初始强化位置进行激光冲击强化直至完成路径1，构件向左移动2.8mm至路径2强化完成后，构件向右移动5.6mm至路径3进行冲击强化，依次左右移动构件(路径如图2所示)直至完成此方法的冲击强化。
由图3可知，采用本发明方法左右交替移动的强化路径材料表面产生的激光烧蚀损伤较少。由此可知，采用本发明方法可以有效的减少由吸收保护层的破坏而导致的材料表面损伤程度。
实施例2。
本实施例所采用的试样材料为8Cr4Mo4V轴承钢，具体试样如图5所示。
一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘同时要保持构件与卡盘呈90°，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束呈90°入射状态直射关键构件待强化区域中心位置；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45°，水膜厚度范围为1mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为8J，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm×4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及30%搭接率确定构件的移动长度；
步骤五：在初始强化位置进行激光冲击强化直至完成路径1，此时构件向左移动8.4mm至路径2，并调整待强化区与激光束的角度为90°（如图6（b）所示）强化完成后，构件向右移动11.2mm至路径3，并调整待强化区与激光束的角度为90°（如图6（c）所示）进行冲击强化，依次左右移动构件(路径如图6（a）所示)直至完成此方法的冲击强化。
利用旋转弯曲疲劳试验机，检测经激光冲击强化后的8Cr4Mo4V轴承钢试样的疲劳极限强度为1070MPa。未经过激光冲击强化的8Cr4Mo4V轴承钢的疲劳极限强度为740MPa，疲劳极限提高了44.59%。由此可知，本发明方法可以显著提高8Cr4Mo4V轴承钢的力学性能。
对比例1。
本实施例所采用的试样材料为8Cr4Mo4V轴承钢，具体试样如图2所示。
一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘同时要保持构件与卡盘呈90°，并调整所需冲击强化试样表面位置，打开激光器定位使激光束呈90°入射状态直射关键构件待强化区域；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45°，水膜厚度范围为1mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为8J，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm×4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及30%搭接率确定构件的移动长度；
步骤五：激光束照射在构件的初始位置，采用S形冲击路径进行连续激光冲击强化，直至强化完成。
由图4可知，采用连续的激光冲击强化路径，强化处理后8Cr4Mo4V轴承钢表面产生明显的激光烧蚀损伤。对比实施例1可知，采用本发明方法可有效减少强化表面损伤情况。
对比例2。
本实施例所采用的试样材料为8Cr4Mo4V轴承钢，具体试样如图5所示。
一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：
步骤一：经过热处理后的关键构件，采用磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，并用乙醇将待强化区清洗干净，然后在待强化表面粘贴厚度为100μm的吸收保护层，其材料为黑胶带；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘同时要保持构件与卡盘呈90°，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束呈90°入射状态直射关键构件待强化区域；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45°，水膜厚度范围为1mm，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数，脉冲能量设为8J，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm×4mm；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及30%搭接率确定构件的移动长度；
步骤五：在初始强化位置以螺旋式路径进行移动并旋转构件连续冲击，直至完成的冲击强化。
利用旋转弯曲疲劳试验机，检测以此连续路径的激光冲击强化后8Cr4Mo4V轴承钢试样的疲劳极限强度为1020MPa。未经过激光冲击强化的8Cr4Mo4V轴承钢的疲劳极限强度为740MPa，疲劳极限提高了37.84%。对比实施例2可知，本发明方法可以更有效的提高8Cr4Mo4V轴承钢的力学性能。
最后应强调的是，以上实施案例是对本发明的技术方案进行示范，并非限制其使用范围，对其材料参数以及尺寸参数的修改本发明仍然适用。
Claims (6)
1.一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对经过热处理后的关键构件采用砂纸或磨抛设备简单的处理以获得光滑的表面，用乙醇将待强化区清洗干净并吹干，然后在待强化表面粘贴吸收保护层；
步骤二：将关键构件装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化表面的位置，打开激光器定位使激光束呈70-90°入射状态直射关键构件待强化区域中心位置；
步骤三：调整水路机械臂至结构件附近位置，水路机械臂出水口倾斜一定角度，水膜保证一定厚度，使水帘均匀覆盖待强化表面，然后设置激光参数；
步骤四：根据关键构件的形状尺寸、光斑尺寸及搭接率确定构件的移动距离；
步骤五：选中需要强化区域的中间位置，从零件的棱边位置或者选中点位置开始强化，进行激光冲击强化直至完成单道激光冲击强化；激光冲击强化方式按照单道线性方式进行，冲击强化路径上斑点间搭接率为30-50%，按照先中间后两边的方式进行。
2.根据权利要求1所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤一中，吸收保护层厚度为70-100μm，其材料为黑胶带、铝箔或黑漆中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤二中，构件装夹至机械臂卡盘时，要保障构件与卡盘呈90°。
4.根据权利要求1所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤三中，水路机械臂出水口倾斜角度30-60°，水膜厚度范围为1-2mm，；激光参数：脉冲能量设为6-8J，脉宽设为15-19ns，方形光斑边长范围设置为3-4mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤四中，确定构件移动距离时，横向和纵向两个激光冲击强化斑点间的搭接率均为30%-50%。
6.根据权利要求1所述的一种提高航空用轴承钢材料关键构件力学性能的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤五中，平移构件时由中心向两侧交替进行，激光束与待强化面呈70-90°入射状态以保障搭接率的准确性，直至冲击强化完成。
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