專利名稱：一種液體介質下金屬表面激光加工方法
技術領域：
本發明涉及一種在特殊條件下進行激光制備的先進制造技術領域，特別涉及一種在液體介質下，利用激光制備手段獲得優異處理區組織和特殊表面性能的方法。
背景技術：
激光是20世紀人類最偉大的發明之一，自1960年美國第一臺紅寶石激光器問世以來，激光技術及其應用的研究一直是國內外研究熱點課題。作為一種受激輻射放大的光，激光具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性以及特殊的空間分布性、時間控制性、偏振特性等特點，在制造、測量、醫學、通信、交通、能源、環境、教育等各行各業被廣泛應用。激光加工技術是一種高度柔性和智能化的先進加工技術，被譽為“萬能加工工具”，“未來制造技術的共同加工手段”，為材料/機械加工領域提供了一種經濟效益顯著而生產效率又很高的、制造方法。目前，激光加工技術正以前所未有的速度向航空航天、機械制造、石化、船舶、冶金、電子、信息等領域擴展，并深刻地影響著各國科技水平。激光加工技術主要包括激光打孔、激光切割、激光焊接、激光相變、激光熔凝、激光熔覆與合金化、激光打標、激光雕刻等，其不同的功能是通過激光與材料交互時產生的熱學效應實現的。激光在材料的相變點以下加熱，材料不發生結構變化，可作為材料局部傳熱和調質處理的一種手段；激光在相變點以上、低于熔點階段加熱，材料發生固態相變，主要獲得激光相變硬化的功能；激光在熔點以上、低于汽化點階段加熱，材料受照射區熔化形成熔池，熔池外主要是傳熱，熔池內存在三種物理過程傳熱、對流和傳質，該階段主要獲得激光熔凝、激光焊接、激光熔覆和合金化、激光打標等功能；激光在材料汽化點以上加熱，材料局部區域汽化并形成等離子體，此時可獲得激光切割、激光雕刻等功能。利用激光相變、熔凝、熔覆及合金化等方法，可改變材料表面的組織結構、物理性能、應力狀態和化學成分等，從而改變材料的表面性能，如耐磨、抗疲勞、抗腐蝕、抗氧化等，進而提高零部件的使用壽命并擴大材料的應用范圍，該方法統稱為激光表面處理技術。激光表面處理技術以在金屬材料表面的應用最為廣泛。實際上，激光對金屬材料表面處理，是一個急冷急熱的熱處理過程或熔化區域快速凝固的非平衡結晶過程。與常規熱處理和凝固相比，激光對材料表面的加熱速度和冷卻速度要高得多，加熱速度可達104-106°c /S，冷卻速度達104-108°c /S，最終獲得晶粒度更細小、位錯密度更高、固溶含碳量更多的優異處理區組織，從而實現材料表面功能的優化。目前，激光表面處理技術大都在空氣介質中對材料表面進行加工處理，激光以很高的能量密度，透過介質氣體(空氣)后照射至材料表面，在排除由于材料表面光反射而損失的反射光能量后，剩余的入射光被材料吸收而貢獻于激光輻照熱效應。盡管受激光照射的處理區組織在快速冷卻或非平衡結晶過程中具有許多較平衡結晶更優越的典型特征，但因激光參數、基體材料自身物理化學性能不同，處理區組織乃至其功能特性也會差異很大，因此，激光表面處理技術仍有很大空間可進一步改進或通過其它方法的組合，實現多元化制備。目前需要在以下主要方面進行改進
a)冷卻方式主要為材料的自冷卻，冷卻速度受基體材料自身的熱物理性能限制；b)因伴隨氧化反應，空氣介質中激光與材料交互出現熱反應較劇烈，材料表面很易出現飛濺、氣蝕、氣化等現象；c)因處理后可能會造成材料表面熱應力過大、出現裂紋等缺陷造成材料表面性能下降。在傳統激光表面處理的基礎上，為了獲得更佳的處理區組織和更優異的表面性能，使其晶粒更精細，耐磨性、抗疲勞性和力學性能等使用性能和機械性能進一步提高；同時克服空氣介質中加工的缺點和不足，拓寬激光加工的使用范圍，滿足資源節約型社會的建設需要，提出了本發明的技術方案。
發明內容
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針對空氣介質中激光加工的不足，同時為滿足現在社會對材料使用性能和機械性能強烈需求，本發明的目的是提出了一種液體介質下金屬表面激光加工方法。該方法可使經液體介質下激光加工金屬表面獲得優異處理區組織和功能表面。通過提高處理區的冷卻速度，獲得更加精細的組織結構，從而獲得更加優異的表面性能，使材料的使用范圍更加廣泛，適應更加苛刻的服役環境，延長其使用壽命，進而節約資源。同時，克服空氣介質中激光加工的缺點和不足。本發明的上述目的通過以下技術方案實現將部件或試件浸沒于具有一定溫度的液體介質中，待加工工件表面朝上，至液面一定厚度(液膜厚度)，激光透過待加工工件表面的液膜，照射待加工工件表面從而實現液體介質下的激光加工。液體介質包括水、水溶液以及其它在激光照射下不發生燃燒反應的液體。待加工工件表面液膜厚度范圍為0. I 5mm ;液體介質溫度為室溫至100°C。進行加工的激光參數為光斑模式_脈沖；功率密度2X106 9. 5X107J/cm2 ;脈沖寬度0. 5 20ms ;頻率1 IOHz ;部件相對運動速度0. 2 2mm/s0所述液體介質的溫度由溫度控制系統進行控制，溫度控制系統由人機界面系統、溫度測量元件、信號采集器以及供水系統等組成。人機界面系統中的判斷控制器根據實驗所需的液體介質的溫度和溫度測量元件反饋的瞬時溫度信號對介質的溫度進行判定，根據溫度測量元件反饋的瞬時信號判斷介質溫度是否在實驗初始設定的溫度范圍之內，如果介質溫度高于設定的溫度，控制器將發出信號調控進、排液體閥門的開啟，啟動供水系統，實現冷熱液體介質的等流量交換，保證實驗在初始設定的溫度下進行。所述液體介質膜的厚度由液體膜厚度控制系統控制，液體膜厚度控制系統由人機界面系統、液面高度測量元件、信號采集器以及供水系統等組成。液膜厚度由人機界面系統中的判斷控制器根據液面高度檢測元件和試件臺與試件的高度差計算得出。人機界面系統中的判斷控制器根據初始設定的液體介質膜厚度和液面高度檢測元件反饋的瞬時信號對厚度進行時時的檢測判定，當液體介質膜的厚度因蒸發等原因造成液膜的厚度減少，控制器將發出信號調控進、排液體閥門的開啟，啟動供水系統，對液體的損失量進行補充，保證工件在相同的液體膜厚度下進行加工。本發明不僅能夠在靜態液體介質條件下進行，還能夠通過控制系統的控制實現在一定速度下的動態液體介質條件下進行激光加工，滿足工件的不同的加工需求，而且通過液體流量測量元件能感知液體介質的瞬時流速。為利用液體介質作為不同的工作載體，可靈活調節液體介質溫度。若以提高激光加工區的冷卻速度為目的，可將介質溫度設定為室溫狀態；若以預熱部件為目標，則可通過人機界面將介質溫度設定為室溫至100°c，加熱元件將啟動加熱液體介質，達到預熱的目的。以上方案完成按如下工作流程框圖實施，如圖I所示。本發明的實施通過如下控制器完成該控制器包括液體介質溫度控制系統、液體膜厚度控制系統以及流速測量裝置。液面高度測量元件、介質溫度測量元件、加熱元件、液體介質流速測量元件以及信號采集裝置和供水系統通過與人機界面的連接，通過人機界面中的輸入編輯器實現實驗所需數據的設定，通過判斷控制器實現實驗過程中對實驗條件的 控制，進而實現本發明所需的液體介質溫度、液膜厚度以及流速的控制，從而使本發明得以實現。本發明實現的操作過程如下I)將試件安裝在試件臺上，并檢查實驗裝置線路；2)設定實驗所需液體介質的參數液膜厚度、液體介質溫度、液體介質狀態(流速)；3)設定滿足實驗要求的激光加工參數光斑模式、功率密度、脈沖寬度、頻率、部件相對運動速度；4)開啟激光器對試件進行加工直至加工完畢關閉激光器。本發明具有以下顯著效果(I)獲得更快的冷卻速度。由于液體介質的比熱和熱傳導率的作用，通過液體介質的對流傳熱，加快了工件處理區熱量的傳輸，從而使工件的冷卻速度相對工件的自冷卻具有更大的提聞。(2)獲得更加精細的加工區組織。因液體介質的加入，加快了工件激光處理區的冷卻速度，提高了成分過冷，同時抑制了處理區晶粒的形核與長大，從而使處理區的晶粒更精細，個別基體材料的處理區晶粒度達到納米級。(3)獲得更加優異的表面性能。因處理區組織更精細，工件表面的耐磨性、耐腐蝕性、抗熱疲勞性等表面性能更加優異。(4)避免空氣介質中加工的缺陷。液體介質的屏障作用防止飛濺、氣蝕、氣化、熱反應(氧化反應)劇烈等現象的發生，同時液體介質能夠使散熱均勻，降低工件表面的熱應力，減少裂紋的出現。
圖I :工作流程框圖。圖2:加工示意圖。圖3 :冷卻速度柱狀圖(°C /s)。圖4 :空氣介質和流動水介質下不同水膜厚度GCrl5軸承鋼激光處理效果圖，其中圖4A :處理區表面掃描電鏡圖4B:硬度分布曲線。圖5 :空氣介質和靜止水介質下不同水膜厚度激光處理蠕墨鑄鐵表面的摩擦磨損性能圖，其中圖5A :不同介質下磨損量對比柱狀圖；圖5B :不同介質對蠕墨鑄鐵摩擦系數曲線。圖6 :空氣介質和靜止水介質下不同水膜厚激光處理H13鋼表面的磨損形貌對比圖。圖2中1、液面高度測量元件；2、液面；3、加熱元件；4、激光加工終端；5、液體溫度測量元件；6、試件；7、液體流速測量元件；8、盛水裝置；9、工作臺
具體實施例方式實施例一空氣和靜止水介質下不同水膜厚度蠕墨鑄鐵激光處理區冷卻速度。利用圖2所示部件及程序進行水膜介質下激光表面制備，并選擇空氣介質下制備試樣作為參考樣。試件材質為蠕墨鑄鐵，試件尺寸為20X 10X IOmm3 ;激光參數為脈沖頻率3Hz，脈寬5ms，激光單脈沖能量71J，光斑直徑為0. 7mm,離焦量5mm。處理試件類型分別為空氣介質處理，和3mm水膜介質處理。水介質的溫度為室溫25°C。結合各試件在不同條件下加工的處理區組織特點，利用激光與材料交互的傳熱原理計算了不同加工介質和介質厚度下處理區的冷卻速度，如圖3所示。相比空氣介質，水膜介質的加入明顯提高了處理區的冷卻速度，水膜厚度的不同對冷卻速度有很大影響，水膜厚度越大，冷卻速度越快。超過一定水膜厚度闞值，因大部分熱量被水介質吸收而達不到激光處理的效果。實施例二 空氣介質和流動水介質下不同水膜厚度GCr 15軸承鋼激光處理效果。利用圖2所示部件及程序進行水膜介質下激光表面制備，并選擇空氣介質下制備試樣作為參考樣。試件GCrl5軸承鋼化學成份(百分含量)為C 0. 95、Si 0. 2、Mn 0. 3、Cr I. 35、P〈0. 027、S〈0. 02。GCrl5軸承鋼標準試件尺寸為20 X 10 X IOmm3 ;激光參數為:脈沖頻率為1Hz，脈寬為5ms，輸入單脈沖能量78J，光斑直徑為0. 7mm，離焦量為5mm。水膜厚度分別設定為lmm、2mm、3mm ;水流速度為0. 5mm/s ;水介質溫度為室溫25°C。采用FEI XL-30FEG ESEM型場發射掃描電子顯微鏡分別對處理后試件a (Imm水膜)、b(2mm水膜)、c(3mm水膜)、d(空氣介質)的表面形貌進行觀察，如圖4A所示。由圖可見，激光水膜介質下制備可獲得高度細化胞狀晶，處理區顯微組織與空氣介質下截然不同。對比發現，一些顆粒尺寸達到納米級尺度范疇，且隨著水膜厚度的增加，納米顆粒的尺寸顯著減小，其變化趨勢如圖4A(a)-(c)所示。Imm水膜厚度下處理區晶粒較粗，無納米晶；2mm水膜厚度下處理區大部分顆粒都極為細小，達到納米級；而3mm水膜厚度下激光處理區絕大部分為納米晶。采用美國HXD-1000型全自動顯微硬度計對制備好的a、b、c、d四個試件處理區進行硬度測量，測量點間距約為25iim，加載載荷50g，加載時間5s，誤差為±25HV，其結果如圖4B所示。由圖可見，水膜介質下激光處理后的試件硬度明顯高于空氣介質；隨著水膜厚度的增加，試件的硬度值也逐漸增加，在3mm水膜中處理的硬度值最高。
實施例三空氣介質和靜止水介質下不同水膜厚度激光處理蠕墨鑄鐵表面的摩擦磨損性能。
利用圖2所示部件及程序進行水膜介質下激光表面制備，并選擇空氣介質下制備試樣作為參考樣。試件蠕墨鑄鐵(CGI)的化學成分(百分含量)為C 3. 56、Si 2. 56、Mn0. 75,PO. 03,S 0. 03, Re 0. 02,Mg 0.02。蠕墨鑄鐵(CGI)標準試件尺寸為 20 X 10 X IOmm3 ;激光參數為脈沖頻率為1Hz，脈寬為5ms，輸入單脈沖能量71J，光斑直徑為0. 7mm，離焦量為5mm。水膜厚度分別為lmm、2mm、3mm ;水膜為靜止狀態；水介質溫度為室溫25°C。對制備好的試件進行了常溫摩擦磨損試驗，摩擦副材料選用調質處理的45號鋼，平均洛式硬度50HRC，載荷12Kg，轉速SSOrOiiinr1，磨損時間30min ;采用FA2004型電子天平(精度0. OOOlg)測量試樣磨損前后的質量，其磨損量如圖5A。由圖可見，水下激光處理后試樣的磨損量均低于空氣中處理，其中和3mm水膜厚度中激光處理獲得試樣的磨損量比空氣中處理的試樣分別減小20. 51%、41. 02%、51. 28%。圖5B為試驗測得的摩擦系數。在磨損的初始階段，摩擦系數迅速增加，但隨著摩擦過程的深入，摩擦系數逐漸趨于穩定；水膜介質下激光處理后試樣在磨損過程中可獲得較小的磨擦系數，而且處理區使得摩擦應力分布更加均勻，從而得到穩定的摩擦系數。 實施例四空氣介質和靜止水介質下不同水膜厚度激光處理H13鋼表面的磨損形貌。利用圖2所示部件及程序進行水膜介質下激光表面制備，并選擇空氣介質下制備試樣作為參考樣。試件H13鋼的化學成分(百分含量)為C 0. 36、Si I. 09、Mn 0. 32、Cr5012,Mo I. 32,P 0. 023,S 0.025。H13鋼標準試件尺寸為20X 10X 10mm3 ;激光參數為脈沖頻率為1Hz，脈寬為5ms，輸入單脈沖能量71J，光斑直徑為0. 7mm，離焦量為5mm。水膜厚度分別為lmm、2mm、3_ ;水膜為靜止狀態；水介質溫度為室溫25°C。 對制備好的試件a (空氣介質)、b (Imm水膜)、c (2mm水膜)、d (3mm水膜)進行了常溫摩擦磨損實驗，摩擦副材料選用調質處理的45號鋼，平均洛式硬度50HRC，載荷12Kg，轉速350r (min)-l,磨損時間30min。利用掃描電鏡對磨損后的形貌進行了掃描,如圖6所示。由圖可見，空氣介質下激光處理試樣其表面材料塑性變形嚴重，脫落的磨屑在磨損過程中粘附于摩擦面，存在固相焊合并伴隨有大量犁溝，表現出粘著磨損和磨粒磨損的特征，這種情況下磨損量最大；而在水膜介質下激光處理后的試件，基本沒有磨屑粘附，主要是犁溝凹槽，并隨著水膜厚度的增加，犁溝的數量和深度均減少。實施例五靜止水介質下相同水膜厚度不同水介質溫度激光處理蠕墨鑄鐵的處理效果。利用圖2所示部件及程序進行水膜介質下激光表面制備。試件材質為蠕墨鑄鐵，試件尺寸為20 X 10 X IOmm3 ;激光參數為脈沖頻率3Hz，脈寬5ms，激光單脈沖能量71J，光斑直徑為0. 7mm，離焦量5mm。水膜厚度為I. 5mm ;將加工前水介質溫度提高至100°C。通過對加工后試件剖面的高倍顯微鏡觀察，與室溫25°C條件下相比，水介質溫度為100°C時，激光處理區內及與基體界面處的裂紋明顯減少，處理區與基體連接處過渡更平順，顯微組織的晶粒尺寸有所增大，但變化不明顯。從而可知，水介質溫度為100°C時，對待加工其預熱作用，激光處理區的殘余熱應力將有所降低。
權利要求
1.ー種液體介質下金屬表面激光加工方法，其特征在于，加工過程按一下步驟進行將部件或試件浸沒于具有一定溫度的液體介質中，待加工エ件表面朝上，至液面有一定液膜，激光透過待加工エ件表面的液膜，照射待加工エ件表面進行液體介質激光加工； 所述液體介質包括水、水溶液以及其它在激光照射下不發生燃燒反應的液體； 所述待加工エ件表面的液膜厚度范圍為0. I 5mm ; 液體介質溫度為室溫至100°C ； 進行加工的激光參數為光斑模式-脈沖；功率密度_2 X IO6 9. 5X107J/cm2 ;脈沖寬度-0. 5 20ms ;頻率-I IOHz ;部件相對運動速度-0. 2 2mm/s。
2.根據權利要求I所述的ー種液體介質下金屬表面激光加工方法，其特征在于，利用 液面高度測量元件和溫度測量元件，獲得待加工エ件表面液體介質膜厚度和溫度的瞬時數據，通過控制器控制進、排液體閥門，自動調節液體介質厚度和溫度。
3.根據權利要求I所述的ー種液體介質下金屬表面激光加工方法，其特征在于，液膜在靜止狀態和流動狀態形成，并通過流速測量元件感知瞬時流動速度，通過控制進排液閥門進行流量調節，所述流動速度范圍為0. I 0. Ws0
4.根據權利要求I所述的ー種液體介質下金屬表面激光加工方法，其特征在于，所述液體介質溫度視加工目標不同可調，若以提高加工區的冷卻速度為目標，將液體介質溫度設定為室溫狀態；若以預熱部件為目標，則可將液體介質溫度設定為室溫至100°C。
全文摘要
本發明涉及一種在液體介質下對部件、試件進行激光表面加工的方法，特別涉及在液體介質下，利用激光制備手段獲得優異處理區組織和特殊表面性能的一種液體介質下金屬表面激光加工方法方法。具體實施過程為將部件或試件浸于裝有某種液體的容器中，激光終端透過部件或試件表面的液體水膜，照射待加工試件或部件表面。通過調節液面高度、液流速度和溫度，可實現對部件或試件的不同加工需求。該方法可作為優化激光加工區組織的方法，亦可對待加工部件或試件進行預熱處理，從而獲得理想的表面機械性能和特殊功能。
文檔編號C21D1/09GK102732695SQ20121020855
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月23日 優先權日2012年6月23日
發明者任露泉, 周宏 , 常芳, 張寶玉, 張志輝, 楊肖, 王亮 申請人:吉林大學