[发明专利]一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面改性技术，具体的说是一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法。

背景技术

表面完整性控制技术通常是高性能零件制造的最后一道工序，也是最为关键的一道工序。其目的是提高大型精密零件的表面质量及其力学性能，从而使零件达到预期的使用性能。大型精密零件不但要求尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等，也要求精密零件的最终力学性能和化学性能，包括抗疲劳强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性能等，并最终影响零件的装配及使用性能。而为提高零件力学/化学性能，相继发展了机械喷丸、超声喷丸、机械滚压、液力挤压、激光冲击强化等表面强化方法，使得零件的表面及次表面产生均匀的压应力层，改善零件的表面组织结构。这些技术在航空航天领域常用于发动机叶片、整体叶盘等精密零件的表面强化，成为提高该类零件表面力学及化学性能的不可替代的方法。

目前，激光冲击强化能够加工复杂的曲面零件，能够对复杂的曲面零件局部进行精准表面改性，而传统的方式无法实现。

发明内容

针对现有技术中对于曲面零件局部进行精准表面改性，应用传统的方法无法实现这一不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可以有效地提高金属表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性能以及耐腐蚀性能的基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透方法，包括以下步骤：

基体材料前处理；

加工表面覆盖吸收层；

基体金属表面覆盖吸收层；

基体金属表面施加约束层；

对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理；

对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿；

基体金属材料后处理。

加工表面覆盖吸收层包括以下步骤：

在洁净间中，取一张薄板，中间剪出需要的大小及形状的开口；

薄板贴附于吸收层表面，在薄板中间均匀的涂上纳米颗粒；

将多余部分清理干净，使吸收层表面形与薄板同厚的颗粒涂覆层；

基体金属表面覆盖吸收层为：在基体金属表面即靶材的工作端面覆盖涂覆纳米颗粒的吸收层。

基体金属表面施加约束层为：

将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的约束层，该约束层为透光玻璃或去离子水中的一种。

对施加约束层后的基体金属表面进行预冲击延寿处理步骤为：

施加约束层后的基体金属表面面朝向激光束，以激光脉宽为20-40ns、激光波长为1064、激光光束直径为2-3mm、激光能量为1-5J、重复频率为2Hz的激光束进行预冲击处理，其中搭接率为10％，冲击1-2遍；

对冲击延寿处理后的基体金属表面进行冲击延寿处理的步骤为：

预冲击延寿处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为10-20ns、激光波长为1064nm、激光光束直径为2-3mm、激光能量为2-10J、重复频率为1～2Hz的激光束进行冲击处理，其中搭接率为30％左右，冲击2-4遍。

基体材料在加工表面覆盖吸收层之前，基体材料的吸收层需要前处理，基体材料前处理为：基体金属进行机械抛光，然后用75％的酒精清洗表面，烘干。

基体金属材料后处理包括：

去除靶材金属表面黏贴的吸收层(表面涂覆纳米颗粒)；

将经冲击延寿处理后的基体金属放入装有温度为20±2℃、酒精浓度为75％的超声清洗机中，超声频率为35-55kHz，清洗10-15min；

基材金属表面冲击处理使用的激光能量为基材金属表面冲击预处理使用的激光能量的二倍，脉宽为预处理的一半，即能量密度提高4倍。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透是一种新型的表面改性工艺，利用激光诱导等离子体冲击波压力使纳米颗粒瞬间形成离子，在强大的冲击波的作用下，在常温下实现纳米颗粒渗入金属基材表面，明显的改变了基材金属表面的晶体结构和取向分布，改变了金属表面元素成分，可以有效地提高金属表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性能以及耐腐蚀性能。

2.本发明实现激光诱导冲击波金属表面纳米粉末渗透，大幅提高基体金属材料表面的表面硬度、疲劳寿命、耐磨损性，该方法操作简单，成本低，绿色无污染，强化效果显著。

附图说明