一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，涉及金屬材料的表面改性。其主要步驟為：1)將金屬材料表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；2)將金屬材料表面進(jìn)行磁控激光仿生熔凝，獲得仿生強(qiáng)化熔凝軌跡；3)將吸收層和約束層設(shè)置在熔凝軌跡上；4)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。本發(fā)明結(jié)合磁致攪拌效應(yīng)，集激光熱力效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)于一體，在金屬表面制備仿生強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，綜合調(diào)控仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化效果，顯著提高金屬材料表面耐磨、抗疲勞等性能。本發(fā)明工藝過程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【專利說明】一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料表面改性【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法。【背景技術(shù)】
[0002]金屬零部件在工程應(yīng)用過程中常因?yàn)槟p或疲勞而發(fā)生失效，這些失效形式通常源于表面。因此，提高金屬零部件表面的耐磨性和抗疲勞性能對(duì)于延長(zhǎng)其使用壽命是非常重要的，這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，提高工程應(yīng)用安全性。
[0003]表面改性是提高零部件表面性能的有效方法，目前已發(fā)展了許多表面改性方法，這些方法大都通過改變材料表面整體成分和組織來實(shí)現(xiàn)其表面性能的提高。隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，人們開始在材料表面制備仿生結(jié)構(gòu)，以使其表面獲得生物所具備的一些特殊性能。表面仿生結(jié)構(gòu)一般通過表面微造型的方法來制備，常用的表面微造型方法有激光加工及復(fù)合加工等，這些方法雖然能夠提高零部件表面性能，但是其對(duì)加工設(shè)備和加工精度的要求都比較高，而且是在改變零部件局部尺度的條件下實(shí)現(xiàn)的。
[0004]與本發(fā)明最接近的技術(shù)是仿生耦合激光重熔技術(shù)。仿生耦合激光重熔技術(shù)是通過激光熔凝的方式在金屬零部件表面加工出不同組織和性能的增強(qiáng)單元體，形成由金屬基體和激光熔凝區(qū)組成的軟硬相間的非均勻仿生表面，以提高零部件表面的耐磨性和抗疲勞性能。但是，該方法是借助激光的熱效應(yīng)通過快速熔凝獲得的增強(qiáng)單元體，不僅會(huì)使熔凝增強(qiáng)單元體的內(nèi)部組織不均勻，而且容易在熔凝區(qū)、熔凝搭接區(qū)或者熔凝交叉區(qū)產(chǎn)生長(zhǎng)窄裂紋，出現(xiàn)早期失效。另外，激光熱效應(yīng)通常會(huì)使表面形成殘余拉應(yīng)力，加速失效裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)一步降低零部件表面耐磨性和抗疲勞性能。
[0005]針對(duì)現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明提出一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法。結(jié)合磁致攪拌效應(yīng)，采用磁控激光熔凝與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法綜合調(diào)控仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，制備出集細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化于一體的復(fù)合強(qiáng)化仿生表面，顯著提高金屬材料表面性能。此工藝過程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有方法存在的問題，提供一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其通過磁控激光熔凝與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法綜合調(diào)控金屬材料表面仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，消除裂紋等缺陷，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化的協(xié)同作用，進(jìn)一步提高仿生強(qiáng)化區(qū)的性能，從而顯著改善金屬材料表面性能，推動(dòng)其工程應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:采用磁控激光熔凝與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備高性能的仿生強(qiáng)化區(qū)，借助磁致攪拌效應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化并均勻化激光熔凝仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀組織，并通過激光噴丸調(diào)控仿生強(qiáng)化區(qū)的表面殘余應(yīng)力，使其產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化作用，從而顯著提高金屬材料仿生表面的性能。具體步驟為:
1)將金屬材料表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)將金屬材料表面進(jìn)行磁控激光仿生熔凝，獲得仿生強(qiáng)化熔凝軌跡； 3)將吸收層和約束層設(shè)置在熔凝軌跡上；
4)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。
[0008]所述的金屬材料為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
[0009]所述的磁控激光仿生熔凝米用的磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5-2T。
[0010]所述的磁控激光仿生熔凝的激光參數(shù)為:激光能量為0.5-10J，脈沖寬度為l-20ms，脈沖頻率為1-20HZ，光斑直徑為0.5_lmm，掃描速度為0.4-lmm/s。
[0011]所述的仿生強(qiáng)化熔凝軌跡為離散的點(diǎn)狀、間隔的平行直線條紋狀或交叉的網(wǎng)格狀三種形式。
[0012]所述的吸收層為黑漆或鋁箔，約束層為流水。
[0013]所述的鋁箔厚度為20_50Mm。
[0014]所述的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為1-lOGW/cm2，激光脈寬為5_40ns，光斑直徑為0.5-lmm，搭接率為20%_80%。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:磁控激光熔凝是在激光熔凝的同時(shí)施加外磁場(chǎng)，其結(jié)合了磁場(chǎng)與激光熔凝的綜合優(yōu)勢(shì)，施加的磁場(chǎng)能夠在激光熔凝的過程中產(chǎn)生磁攪拌的作用，改變?nèi)鄢刂幸簯B(tài)金屬的傳質(zhì)和傳熱過程，抑制柱狀晶的形成，細(xì)化及均勻化熔池內(nèi)晶粒組織，消除熔凝缺陷；激光噴丸能夠在進(jìn)一步細(xì)化熔凝區(qū)組織的同時(shí)，將激光熔凝產(chǎn)生的表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成殘余壓應(yīng)力，調(diào)控表面應(yīng)力狀態(tài)，而且能夠閉合已形成的熔凝裂紋，避免早期失效。此外，本發(fā)明加工柔性高，可控性好，適應(yīng)性強(qiáng)，協(xié)同強(qiáng)化效果明顯，而且工藝過程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明中磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化是通過磁控激光熔凝與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法實(shí)現(xiàn)的。首先將金屬材料表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗干凈，然后采用磁控激光熔凝方法對(duì)金屬材料表面進(jìn)行熔凝仿生處理，獲得仿生強(qiáng)化熔凝軌跡，最后將吸收層和約束層設(shè)置在熔凝軌跡上，采用激光噴丸處理仿生強(qiáng)化熔凝軌跡，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。采用本發(fā)明能夠有效調(diào)控仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，制備出集細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化于一體的復(fù)合強(qiáng)化仿生表面，顯著提高金屬材料表面性能，推動(dòng)其工程應(yīng)用。
[0017]實(shí)施例1:
1)將RT300鑄鐵表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)將鑄鐵表面在0.5T旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下進(jìn)行磁控激光仿生熔凝，激光能量為0.5J，脈沖寬度為1ms，脈沖頻率為20HZ，光斑直徑為1mm，掃描速度為0.4mm/s，獲得間隔的條紋狀仿生強(qiáng)化熔凝軌跡；
3)將50Mm鋁箔作為吸收層貼附在熔凝軌跡表面，并用流水作為約束層；
4)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為lGW/cm2，激光脈寬為5ns，光斑直徑為1mm，搭接率為20%，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。
[0018]采用顯微硬度儀和X射線應(yīng)力儀分別測(cè)定磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)與激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的顯微硬度和殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)的硬度較激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的硬度提高約13%，而且表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其值約為-151.3MPa，可見采用本發(fā)明制得的仿生復(fù)合強(qiáng)化表面的性能得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高性能的仿生表面。
[0019]實(shí)施例2:
1)將5CrMnMo鋼表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)將鋼表面在2T旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下進(jìn)行磁控激光仿生熔凝，激光能量為10J，脈沖寬度為20ms，脈沖頻率為1HZ，光斑直徑為0.5mm，掃描速度為lmm/s，獲得離散的點(diǎn)狀仿生強(qiáng)化熔凝軌跡；
3)將黑漆作為吸收層涂覆在熔凝軌跡表面，并用流水作為約束層；
4)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為lOGW/cm2，激光脈寬為40ns，光斑直徑為0.5mm，搭接率為80%，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。
[0020]采用顯微硬度儀和X射線應(yīng)力儀分別測(cè)定磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)與激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的顯微硬度和殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)的硬度較激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的硬度提高約10%，而且表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其值約為-135.6MPa，可見采用本發(fā)明制得的仿生復(fù)合強(qiáng)化表面的性能得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高性能的仿生表面。
[0021]實(shí)施例3:
1)將5A02鋁合金表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)將招合金表面在IT旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下進(jìn)行磁控激光仿生熔凝,激光能量為5J,脈沖寬度為10ms，脈沖頻率為10HZ，光斑直徑為0.7mm，掃描速度為0.8mm/s，獲得交叉的網(wǎng)格狀仿生強(qiáng)化熔凝軌跡；
3)將20Mm鋁箔作為吸收層貼附在熔凝軌跡表面，并用流水作為約束層；
4)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為5GW/cm2，激光脈寬為25ns，光斑直徑為0.7mm，搭接率為50%，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。
[0022]采用顯微硬度儀和X射線應(yīng)力儀分別測(cè)定磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)與激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的顯微硬度和殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化區(qū)的硬度較激光仿生熔凝強(qiáng)化區(qū)的硬度提高約17%，而且表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其值約為-169.2MPa，可見采用本發(fā)明制得的仿生復(fù)合強(qiáng)化表面的性能得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高性能的仿生表面。
【權(quán)利要求】
1.一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，采用磁控激光熔凝與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備仿生強(qiáng)化表面，通過磁場(chǎng)與激光熱力復(fù)合效應(yīng)綜合調(diào)控仿生強(qiáng)化區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，制備出集細(xì)晶強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化于一體的復(fù)合強(qiáng)化仿生表面；具體步驟為: A)將金屬材料表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面； B)將金屬材料表面進(jìn)行磁控激光仿生熔凝，獲得仿生強(qiáng)化熔凝軌跡； C)將吸收層和約束層設(shè)置在熔凝軌跡上； D)沿熔凝軌跡進(jìn)行激光噴丸處理，獲得復(fù)合強(qiáng)化的仿生結(jié)構(gòu)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟A)的金屬材料為金屬招、招合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟B)的磁控激光仿生熔凝米用的磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5-2T。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟B)的磁控激光仿生熔凝的激光參數(shù)為:激光能量為0.5-10J，脈沖寬度為l-20ms，脈沖頻率為1-20HZ,光斑直徑為0.5-lmm,掃描速度為0.4_lmm/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟B)的仿生強(qiáng)化熔凝軌跡為離散的點(diǎn)狀、平行間隔的直線條紋狀或交叉的網(wǎng)格狀三種形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟C)的吸收層為黑漆或鋁箔，約束層為流水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的鋁箔厚度為20-50Mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁控激光仿生復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，所述步驟D)的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為1-lOGW/cm2，激光脈寬為5_40ns，光斑直徑為.0.5-lmm，搭接率為 20%_80%。
【文檔編號(hào)】B23K26/352GK103920999SQ201310716814
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】崔承云, 崔熙貴, 周建忠, 許曉靜, 姜銀方 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)