專利名稱：在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法
在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法技術領域
本發明屬于表面工程技術和激光加工領域，尤其涉及一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法。
背景技術：
化學熱處理可用于提高產品質量，延長機械產品使用壽命，例如，滲碳可用于齒輪等傳動部件；滲金屬可顯著改善零件的抗氧化、耐腐蝕性能，保證在高溫下的正常工作并延長其使用壽命。一般來說，化學熱處理使用熱能，所需的擴散溫度較高或擴散時間較長、能耗大。機械能助滲(ZL01107820. O)技術則利用滲劑和沖擊粒子在加熱爐的滾筒內對工件表面沖擊，將化學熱處理的傳導傳熱方式改為粒子對流傳熱，增加粒子間接觸機會，并在機械能和熱能的作用下，粒子動能激活工件表面點陣原子，形成空位，從而實現助滲，本發明的基本原理和實施過程均與該方法不同，是一種新的增滲方法。發明內容
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，減少化學熱處理時間，提高滲層質量，并在材料或構件表面形成性能穩定的組織，從而顯著提高滲層質量。
技術方案
一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，其特征在于步驟如下
步驟I :將試件裝夾到運動系統上，采用激光照射在吸收保護涂層上，保護涂層吸收激光能量，誘導產生等離子體沖擊波，作用于工件表面；所述激光波長為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75% ；
步驟2 :對激光沖擊波處理后的工件，采用滲鋁、滲氮或滲碳工藝進行化學熱處理。
有益效果
本發明提出的一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導產生等離子體沖擊波對材料作用，并與化學熱處理相結合，從而改善金屬材料和構件表面性能，提高其抗氧化、抗磨損、耐腐蝕的方法，化學熱處理可以是滲鋁、滲碳、滲氮和滲鋁鉻等。與常規化學熱處理方法相比
I、該方法采用高功率、短脈沖激光誘導產生高壓等離子體沖擊波，作用在材料表面，利用沖擊波的力學效應對材料進行處理，在材料表層產生高密度位錯、晶粒細化，甚至產生納米晶，從而降低擴散激活能，增加擴散通道，提高擴散效率，形成穩定的滲層。
2、在高壓沖擊波的作用下，材料發生高應變率動態響應，使得材料表面位錯增多、 晶粒細化甚至產生納米晶。位錯密度和晶界的增加，為后續化學熱處理過程中的原子擴散提供了通道，原子的擴散激活能降低，有利于元素的擴散和反應。
圖I :12CrNi3A鋼常規滲碳SEM圖2 12CrNi3A鋼激光等離子體沖擊波作用后滲碳SEM圖中I、化合物層，2、含碳化物的滲碳層，3、滲碳層。
具體實施方式
現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述
本發明實施例的激光參數要求為激光波長為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75%，光斑大小和形狀根據工件結構特征選擇。 化學熱處理工藝可以是滲鋁、滲碳、滲氮或滲鋁鉻等。
本發明所采用的技術方案步驟是
(a)將試件裝夾到運動系統上，采用高功率密度3-8GW/cm2、ns級短脈沖的激光照射在吸收保護層上，涂層吸收激光能量，并誘導產生等離子體沖擊波，作用于工件表面；等離子體沖擊波按照一定路徑作用待處理區域，光斑間的面積搭接率為50-75% ;激光誘導等離子沖擊波作用下，工件表層材料發生高應變率動態響應，產生高密度位錯，并使晶粒細化；
(b)對激光沖擊波處理后的工件，進行相應的化學熱處理(如滲鋁、滲氮或滲碳-rf* ) O
具體實施里對常用的12CrNi3A滲碳鋼進行激光等離子體沖擊波增滲處理，具體工藝步驟為
(a)設置激光波長1064nm，脈寬20ns，功率密度為3. 2Gff/cm2 (激光能量8J，光斑形狀圓形，光斑直徑4mm)，光斑搭接率60%。
(b)采用膠帶為吸收保護涂層，粘貼在12CrNi3A鋼表面；
(c)將粘貼有吸收涂層的工件裝到運動系統上，采用高功率、短脈沖激光對 12CrNi3A鋼表面進行沖擊處理。
(d)將沖擊波作用后的12CrNi3A鋼，進行滲碳處理，在其表面得到一層滲碳層，具體工藝為采用井式滲碳爐，在880°C ±10°C溫度和甲苯介質滴注式的氣氛下，保溫3-5小時。
通過以上實例，可以看到本發明的效果是在齒輪的等離子體沖擊波處理區域，由于表層的超細化晶粒和高密度位錯組織擁有很高的自由能，且缺陷急劇增加，為原子的擴散提供了通道，形成的滲層深度加深，滲層組織致密(如圖2所示)，與比常規工藝滲碳(如圖 I所示)相比，表層碳化物分布均勻，細小，有利于表面耐磨性能的提高，同時基材的組織、性能基本沒有變化。因此，為了獲得相同的滲層深度，可顯著降低化學熱處理溫度，縮短處理時間，從而可減小工件的變形。在SJ-Tribometer磨損實驗機上進行耐磨性試驗，試驗條件如下載荷14. 7牛頓，線速度100mm/S，運轉45000周。激光等離子體沖擊波增滲處理后試件的比磨損率降低了 40%以上。
權利要求
1.一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，其特征在于步驟如下 步驟I:將試件裝夾到運動系統上，采用激光照射在吸收保護涂層上，保護涂層吸收激光能量，誘導產生等離子體沖擊波，作用于工件表面；所述激光波長為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75% ； 步驟2 :對激光沖擊波處理后的工件，采用滲鋁、滲氮或滲碳工藝進行化學熱處理。
全文摘要
本發明涉及一種在化學熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導產生等離子體沖擊波對材料作用，并與化學熱處理相結合，從而改善金屬材料和構件表面性能，提高其抗氧化、抗磨損、耐腐蝕的方法，化學熱處理可以是滲鋁、滲碳、滲氮和滲鋁鉻等。本發明的效果是為了獲得相同的滲層深度，可顯著降低化學熱處理溫度，縮短處理時間，從而可減小工件的變形。
文檔編號C23F17/00GK102978628SQ201210492108
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者何衛鋒, 李玉琴, 李應紅, 周留成, 何光宇, 王學德 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學