一種基于激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種金屬表面改性技術，具體的說是一種基于激光誘導沖擊波金屬表 面納米粉末滲透方法。
【背景技術】
[0002] 表面完整性控制技術通常是高性能零件制造的最后一道工序，也是最為關鍵的一 道工序。其目的是提高大型精密零件的表面質量及其力學性能，從而使零件達到預期的使 用性能。大型精密零件不但要求尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度等，也要求精密零件的最 終力學性能和化學性能，包括抗疲勞強度、硬度、耐磨性、抗腐蝕性能等，并最終影響零件的 裝配及使用性能。而為提高零件力學/化學性能，相繼發展了機械噴丸、超聲噴丸、機械滾 壓、液力擠壓、激光沖擊強化等表面強化方法，使得零件的表面及次表面產生均勻的壓應力 層，改善零件的表面組織結構。這些技術在航空航天領域常用于發動機葉片、整體葉盤等精 密零件的表面強化，成為提高該類零件表面力學及化學性能的不可替代的方法。
[0003] 目前，激光沖擊強化能夠加工復雜的曲面零件，能夠對復雜的曲面零件局部進行 精準表面改性，而傳統的方式無法實現。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中對于曲面零件局部進行精準表面改性，應用傳統的方法無法實現 這一不足，本發明要解決的技術問題是提供一種可以有效地提高金屬表面硬度、疲勞壽命、 耐磨損性能以及耐腐蝕性能的基于激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透方法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0006] 本發明一種基于激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透方法，包括以下步驟：
[0007] 基體材料前處理；
[0008] 加工表面覆蓋吸收層；
[0009] 基體金屬表面覆蓋吸收層；
[0010] 基體金屬表面施加約束層；
[0011] 對施加約束層后的基體金屬表面進行預沖擊延壽處理；
[0012] 對沖擊延壽處理后的基體金屬表面進行沖擊延壽；
[0013] 基體金屬材料后處理。
[0014] 加工表面覆蓋吸收層包括以下步驟：
[0015] 在潔凈間中，取一張薄板，中間剪出需要的大小及形狀的開口；
[0016] 薄板貼附于吸收層表面，在薄板中間均勻的涂上納米顆粒；
[0017] 將多余部分清理干凈，使吸收層表面形與薄板同厚的顆粒涂覆層；
[0018] 基體金屬表面覆蓋吸收層為:在基體金屬表面即靶材的工作端面覆蓋涂覆納米顆 粒的吸收層。
[0019] 基體金屬表面施加約束層為：
[0020] 將覆蓋有吸收層的靶材的工作端面安裝在工作臺上，在吸收層上施加一層厚度為 l-3mm的約束層，該約束層為透光玻璃或去離子水中的一種。
[0021] 對施加約束層后的基體金屬表面進行預沖擊延壽處理步驟為：
[0022]施加約束層后的基體金屬表面面朝向激光束，以激光脈寬為20_40ns、激光波長為 1064、激光光束直徑為2-3mm、激光能量為1-5J、重復頻率為2Hz的激光束進行預沖擊處理， 其中搭接率為10%，沖擊1-2遍；
[0023] 對沖擊延壽處理后的基體金屬表面進行沖擊延壽處理的步驟為：
[0024] 預沖擊延壽處理后，調整激光工藝參數:激光脈寬為10_20ns、激光波長為1064nm、 激光光束直徑為2_3mm、激光能量為2-10J、重復頻率為1~2Hz的激光束進行沖擊處理，其中 搭接率為30 %左右，沖擊2-4遍。
[0025]基體材料在加工表面覆蓋吸收層之前，基體材料的吸收層需要前處理，基體材料 前處理為:基體金屬進行機械拋光，然后用75%的酒精清洗表面，烘干。
[0026]基體金屬材料后處理包括：
[0027]去除靶材金屬表面黏貼的吸收層(表面涂覆納米顆粒）；
[0028]將經沖擊延壽處理后的基體金屬放入裝有溫度為20 ±2°C、酒精濃度為75 %的超 聲清洗機中，超聲頻率為35-55kHz，清洗10-15min;
[0029] 基材金屬表面沖擊處理使用的激光能量為基材金屬表面沖擊預處理使用的激光 能量的二倍，脈寬為預處理的一半，即能量密度提高4倍。
[0030]本發明具有以下有益效果及優點：
[0031] 1.本發明激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透是一種新型的表面改性工藝，利 用激光誘導等離子體沖擊波壓力使納米顆粒瞬間形成離子，在強大的沖擊波的作用下，在 常溫下實現納米顆粒滲入金屬基材表面，明顯的改變了基材金屬表面的晶體結構和取向分 布，改變了金屬表面元素成分，可以有效地提高金屬表面硬度、疲勞壽命、耐磨損性能以及 耐腐蝕性能。
[0032] 2.本發明實現激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透，大幅提高基體金屬材料表 面的表面硬度、疲勞壽命、耐磨損性，該方法操作簡單，成本低，綠色無污染，強化效果顯著。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明工藝流程圖；
[0034]圖2為本發明方法中實現納米顆粒滲入機理示意圖。
[0035]其中，1為基體材料，2為納米涂層，3為吸收層，4為約束層，5為激光束。
【具體實施方式】
[0036]下面結合說明書附圖對本發明作進一步闡述。
[0037]如圖1所示，本發明一種基于激光誘導沖擊波金屬表面納米粉末滲透方法包括以 下步驟：
[0038] 基體材料前處理；
[0039]加工表面覆蓋吸收層；
[0040]基體金屬表面覆蓋吸收層；
[0041]基體金屬表面施加約束層；
[0042]對施加約束層后的基體金屬表面進行預沖擊延壽處理；
[0043] 對沖擊延壽處理后的基體金屬表面進行沖擊延壽；
[0044] 基體金屬材料后處理。
[0045]本發明激光誘導等離子體沖擊波壓力實現納米顆粒滲入機理示意圖如圖2所示。
[0046] 實施例1
[0047] 試件材料:6082錯合金(200mmX100mmX3mm)，納米金屬顆粒為鎳合金；
[0048]對基體金屬進行機械拋光，然后用75 %的酒精清洗表面，烘干；
[0049] 在潔凈間中，制備0.1mm厚的塑料薄板中間剪出10_X50mm(根據實際需要可以調 整），薄板貼附于吸收層(本實施例為黑色膠帶)表面，在薄板中間均勻的涂上納米顆粒，然 后將多余部分清理干凈，使吸收層表面形成〇. 1_后的顆粒涂覆層；
[0050]然后在基體金屬的拋光表面覆蓋涂覆納米顆粒的吸收層；
[0051]在基體金屬表面施加約束層：將覆蓋有吸收層的靶材的工作端面安裝在工作臺 上，在吸收層上施加一層厚度為2mm的約束層，約束層為2mm去離子水；
[0052] 對基材金屬進行滲透預沖擊處理：以激光脈寬為24ns、激光波長為1064nm、激光光 束直徑為3mm、激光能量為3J、重復頻率為2Hz的激光束進行預沖擊處理，其中搭接率為 10%，沖擊2遍，每次沖擊后更換新的黑色膠帶(表面涂覆一層1mm的納米顆粒）；
[0053]對基材金屬滲透沖擊處理:激光預處理后，調整激光工藝參數:激光脈寬為12ns、 激光波長為l〇64nm、激光光束直徑為3mm、激光能量為6J、重復頻率為2Hz的激光束進行沖擊 處理，其中搭接率為30%左右，沖擊2遍，每次沖擊后更換新的黑色膠帶(表面涂覆一層1mm 的納米顆粒)。
[0054]最后對基材金屬激光后處理，去除靶材金屬表面黏貼的吸收層(表面涂覆納米顆 粒），將經沖擊延壽處理后的基體金屬放入裝有溫度為20 ± 2°C、酒精