[发明专利]一种基于激光热-力效应的常温态渗氮工艺及加工装置

说明书

本发明提供了一种基于激光热‑力效应的常温态渗氮工艺及加工装置，包括如下步骤：在常温下，放置有待渗氮工件的密闭箱体内填充氨气；通过衍射光束分束器输出能量不同的第一激光束和第二激光束；若干第二激光束聚焦在工件表面上方，通过激光热效应将氨气电离形成游离的氮原子；若干所述第二激光束分布在第一激光束周围，且所述第一激光束对工件表面进行辐照，通过激光产生的等离子体携带氮原子沿力效应诱导的运动位错渗入工件表面。本发明利用激光的热效应和力效应来进行表面强化处理，能够得到比单一强化处理更高的强度、硬度以及疲劳性能，此外常温渗氮能够改善常规高温渗氮带来的晶粒粗大的缺陷。

技术领域

本发明涉及热处理技术领域或者表面渗氮技术领域，特别涉及一种基于激光热-力效应的常温态渗氮工艺及加工装置。

背景技术

渗氮技术，即在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。中国发明专利公开了一种高速钢刀具渗氮处理工艺，即通过渗氮处理在高速钢刀具的表面形成一层致密的氧化薄膜，即渗氮层，其特点是一方面增加了材料的耐磨性能，另一方面其在切削过程中能够增加刀具的散热能力并且起到一定的润滑作用。但是传统渗氮存在高温处理时间过长的缺点。

为了提高渗氮效果，增加渗氮层厚度，进行一些预处理可以达到此目的。中国发明专利公开了一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，即将工件进行激光冲击处理后置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，该发明中激光冲击处理使材料表层产生塑性变形，形成高密度位错，晶粒细化甚至产生纳米晶，为氮原子扩散提供扩散通道。中国发明专利公开了一种激光高温冲击-渗氮复合加工装置和方法，即分别进行激光冲击强化和渗氮处理，在材料表面生成高密度的位错、位错缠结及亚晶界，并诱导氮原子与金属原子发生高温相变反应。上述两个专利利用激光冲击预处理使材料表面位错密度提高，随后进行渗氮处理，诱导氮原子沿着位错渗入材料内部，但此方法也存在一定的缺陷：首先依旧是传统渗氮处理时间过长，再有传统渗氮高温会造成晶粒粗大，使激光冲击强化带来的细化晶粒现象弱化，影响整体强化效果。

发明内容

针对现有技术中存在的传统渗氮处理时间长、高温诱导晶粒粗大的不足，本发明提供了一种基于激光热-力效应的常温态渗氮工艺及加工装置，通过激光热效应电离氨气，使更多的氮原子吸附在试样表面，以运动的位错为渗氮通道，可以增加渗氮层的厚度，同时避免了传统高温渗氮诱导材料晶粒粗大的缺陷；还通过激光力效应诱导材料表面产生高密度位错，激光冲击强化产生的等离子体作为载体，可以携带氮原子沿着晶界、运动的位错渗入材料内部，有助于进一步提高渗氮层的强度、硬度与疲劳性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于激光热-力效应的常温态渗氮工艺，包括如下步骤：

在常温下，放置有待渗氮工件的密闭箱体内填充氨气；

通过衍射光束分束器输出能量不同的第一激光束和第二激光束；若干第二激光束聚焦在工件表面上方，通过激光热效应将氨气电离形成游离的氮原子；若干所述第二激光束分布在第一激光束周围，且所述第一激光束对工件表面进行辐照，通过激光产生的等离子体携带氮原子沿力效应诱导的运动位错渗入工件表面。

进一步，所述第一激光束的能量小于第二激光束的能量。

进一步，所述第一激光束的能量与第二激光束的能量的比值为4:6。

进一步，所述第一激光束聚焦后的光斑直径不小于3mm，所述第二激光束聚焦后的光斑直径为0.2～0.8mm。

进一步，若干所述第二激光束聚焦在工件表面上方0.2～0.5mm。