一種激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面滲透納米粉末的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面 滲透納米粉末的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面完整性控制技術(shù)通常是高性能零件制造的最后一道工序，也是最為關(guān)鍵的一 道工序。其目的是提高大型精密零件的表面質(zhì)量及其力學(xué)性能，從而使零件達(dá)到預(yù)期的使 用性能。大型精密零件不但要求尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度等，也要求精密零件的最 終力學(xué)性能和化學(xué)性能，包括抗疲勞強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性能等，并最終影響零件 的裝配及使用性能。而為提高零件力學(xué)/化學(xué)性能，相繼發(fā)展了機(jī)械噴丸、超聲噴丸、機(jī)械 滾壓、液力擠壓等表面強(qiáng)化方法，使得零件的表面及次表面產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力層，改善零件 的表面組織結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)在航空航天領(lǐng)域常用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤(pán)等精密零件的表 面強(qiáng)化，成為提高該類零件表面力學(xué)及化學(xué)性能的不可替代的方法。但是這些方法也存在 著各種各樣的問(wèn)題，如噴丸納米植入，需要預(yù)先將納米制作出微米顆粒團(tuán)，然后通過(guò)冷噴涂 方法噴涂在試件表面保證微米顆粒團(tuán)與試件之間形成足夠大的結(jié)合力，避免在噴丸過(guò)程中 脫落，操作過(guò)程復(fù)雜，并且只能針對(duì)規(guī)則的小尺寸平面，而對(duì)試件形狀大小要求嚴(yán)格。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面滲透納米粉 末的方法，目的是實(shí)現(xiàn)納米顆粒滲入金屬基材表面，大幅提高基體金屬材料表面的表面硬 度、疲勞壽命和耐磨損性。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案按照以下步驟進(jìn)行： (1) 在潔凈間中，在吸收層的表面涂覆形成0.1 mm厚的納米顆粒涂覆層，將上述吸收層 覆蓋在靶材的工作端面； (2) 將覆蓋有吸收層的靶材的工作端面安裝在工作臺(tái)上，在吸收層上施加一層厚度為 I-3mm的約束層； (3) 將待處理的基材金屬表面朝向激光束，以激光脈寬為20-40ns、激光波長(zhǎng)為 1064nm、激光光束直徑為2-5mm、激光能量為1-5J、重復(fù)頻率為2Hz的激光束進(jìn)行預(yù)滲透處 理，其中搭接率為10%，滲透1-2遍； (4) 激光預(yù)處理后，調(diào)整激光工藝參數(shù)：激光脈寬為10-20ns、激光波長(zhǎng)為1064nm、激光 光束直徑為2-5mm、激光能量為2-10J、重復(fù)頻率為1Hz，進(jìn)行滲透處理，其中搭接率為30%， 滲透2-4遍； (5) 基材金屬激光后，去除靶材表面的吸收層，將經(jīng)滲透處理后的基材金屬放入超聲清 洗機(jī)中，超聲清洗機(jī)中裝有溫度為18~22°C、體積濃度為75%的酒精，超聲頻率為35-55kHz， 清洗l〇_15min，然后利用去離子水沖洗，最后用100°C的干燥箱烘干5min，基材金屬表面滲 入納米顆粒，硬度得到提高。
[0005] 所述的吸收層是黑色膠帶。
[0006] 所述的在吸收層的表面涂覆形成0.1 mm厚的納米顆粒涂覆層具體方法是在0.1 mm 厚的塑料薄板中間剪出一個(gè)矩形孔洞，將吸收層放在塑料薄板下方，在矩形孔洞處均勻的 涂覆納米顆粒，將多余部分清理干凈，使吸收層表面形成〇. Imm厚的顆粒涂覆層。
[0007] 所述的約束層是透光玻璃或去離子水，當(dāng)約束層是透光玻璃時(shí)，要求玻璃與吸收 層之間貼合緊密無(wú)縫隙，當(dāng)約束層是去離子水時(shí)，要求加工過(guò)程無(wú)波浪和飛濺。
[0008] 所述的基材金屬表面滲透處理使用的激光能量為基材金屬表面滲透預(yù)處理使用 的激光能量的一倍，脈寬為預(yù)處理的一半，即能量密度提高4倍。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是： 本發(fā)明的激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面滲透納米粉末的方法，是一種新型的表面改性工 乙， 其機(jī)理如附圖圖2所示，具體是利用短脈沖的高能量密度的激光輻照金屬表面，誘發(fā) 激光誘導(dǎo)等離子體的形成，金屬表面黏貼的吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化，并吸收 激光能量并形成高溫、高壓的等離子體，在約束層的約束下，等離子體形成高強(qiáng)度壓力滲透 波，這種滲透波壓力高達(dá)數(shù)GPa，滲透波的閾值遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，作用于金屬表 面并向金屬內(nèi)部傳播，同時(shí)等離子體滲透波壓力使納米顆粒瞬間形成離子，在強(qiáng)大的滲透 波的作用下，在常溫下實(shí)現(xiàn)納米顆粒滲入金屬基材表面，使材料表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形， 改變了基材金屬表面的晶體結(jié)構(gòu)和取向分布，使金屬表面的晶格發(fā)生占位和取代，改變了 金屬表面元素成分，金屬表面的元素重新分布，引起晶格畸變、位錯(cuò)和晶粒細(xì)化，從而提高 金屬表面的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而提高金屬零件的耐磨損和疲勞壽命。
[0010] 本發(fā)明中表面滲透處理后的基材金屬清洗的目的是為保證基體材料上不殘留有 機(jī)物質(zhì)和物理鑲嵌。
[0011] 本發(fā)明操作工藝簡(jiǎn)單、是一種低成本、高效、綠色的金屬表面處理技術(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是本發(fā)明激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面滲透納米粉末的方法的工藝流程圖； 圖2是本發(fā)明激光誘導(dǎo)沖擊使金屬表面滲透納米粉末的方法的機(jī)理示意圖； 其中:激光束；2 :約束層；3 :吸收層；4 :納米顆粒涂覆層；5 :基材金屬。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明實(shí)施例中的黑色膠帶對(duì)1064nm的激光束不透明，當(dāng)激光束福照在黑膠帶 表面時(shí)能夠吸收激光能量，在膠帶和基體金屬之間產(chǎn)生瞬間高溫高壓的等離子體，并且能 夠有效的防止激光束燒傷基體材料表面，如3M公司的3M471號(hào)膠帶和3M425膠帶。
[0014] 本發(fā)明實(shí)施例中的潔凈間為萬(wàn)級(jí)潔凈間，又稱為無(wú)塵室或清凈室，根據(jù)GB/ T16292-1996,空氣潔凈度指標(biāo)為塵埃（多0. 5 μ m)最大允許為350, 000數(shù)/立方米，游浮菌 為100個(gè)/立方米，沉降菌為3個(gè)/皿。
[0015] 實(shí)施例1 本實(shí)施例中的基材金屬為：6082鋁合金（200_X 100_X 3_)，經(jīng)過(guò)進(jìn)行機(jī)械拋光，然 后用75%的酒精清洗表面，烘干備用，納米顆粒為鎳合金； 本實(shí)施例按照以下步驟進(jìn)行： (1) 在潔凈間中，在吸收層的表面涂覆形成0.1 mm厚的納米顆粒涂覆層，將上述吸收層 覆蓋在靶材的工作端面； (2) 將覆蓋有吸收層的靶材的工作端面安裝在工作臺(tái)上，在吸收層上施加一層厚度為 Imm的約束層； (3) 將待處理的基材金屬表面朝向激光束，以激光脈寬為20ns、激光波長(zhǎng)為1064nm、激 光光束直徑為5mm、激光能量為1J、重復(fù)頻率為2Hz的激光束進(jìn)行預(yù)滲透處理，其中搭接率 為10%，滲透1遍； (4) 激光預(yù)處理后，調(diào)整激光工藝參數(shù)：激光脈寬為10ns、激光波長(zhǎng)為1064nm、激光光 束直徑為5mm、激光能量為2J、重復(fù)頻率為1Hz，進(jìn)行滲透處理，其中搭接率為30%，滲透3 遍； (5) 基材金屬激光后，去除靶材表面的吸收層，將經(jīng)滲透處理后的基材金屬放入超聲清 洗機(jī)中，超聲清洗機(jī)中裝有溫度為18°C、體積濃度為75%的酒精，超聲頻率為45kHz，清洗 12min，然后利用去離子水沖洗，最后用KKTC的干燥箱烘干5min，基材金屬表面滲入納米 顆粒，硬度得到提高。
[0016] 制備顯微硬度、疲勞壽命和耐磨損標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試，如表1所 示，其耐磨損性能與未加工的金屬基材表面相比提高了 13%。
[0017] 實(shí)施例2 本實(shí)施例中的基材金屬為T(mén)C