[發明專利]基于激光噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及裝置

有效

• 申請號: 201210282044.9
• 申請日: 2012-08-09
• 公開（公告）號: CN102776521A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 周建忠;楊晶;黃舒;陳寒松;王宏宇;孟憲凱;謝小江;左立黨;季杏露;安中偉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C22F1/18;C23C8/68
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種鈦合金表面滲硼方法及其裝置，尤其是一種鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置，具體地說是一種基于激光噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置。

背景技術

眾所周知，鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性能好、耐熱性能優良、無磁等一系列特性而廣泛應用于石油、化工、冶金、生物醫學和體育用品等領域，并已成為新工藝和新設備不可缺少的金屬材料。然而，鈦合金的耐磨損性能較差，極大地限制了其更廣泛的應用。

表面耐磨處理技術是提高鈦合金耐磨性能行之有效的方法，目前已經發展了多種鈦合金表面耐磨處理工藝，包括氣相沉積、熱滲鍍、熱噴涂、離子注入及微弧氧化等。其中，滲硼處理，不僅所形成的表面改性層具有良好的耐磨損、抗摩擦和耐腐蝕性，而且具有工藝簡單易實施、對基體材料要求不高等特點，故受到了鈦合金表面耐磨處理領域專家學者的重視。但是，目前鈦合金表面滲硼處理通常是在高溫（1000℃～1200℃）下進行，存在著易引起鈦合金相組織變化造成其力學性能下降、滲硼層脆性較大且缺陷較多等問題。因此，鈦合金低溫滲硼成為業內追求的目標之一。但是，眾所周知，當滲硼溫度降低到1000℃以下，硼不易擴散到鈦合金中去，故所獲得的滲硼層厚度很薄（有文獻報道其僅為25μm左右），其實用價值尚不夠理想。

因此，到目前為止，尚未有一種能夠有效克服前述不足的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置可供使用。

發明內容

本發明的目的是針對現有的鈦合金表面低溫滲硼時效果差，滲層深度不能滿足要求的問題，發明一種激光噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置，利用激光噴丸的高功率密度、短脈沖強激光沖擊作用，增加硼擴散通道以及減少鈦合金表面滲硼層缺陷，在低溫條件下實現在鈦合金表面上獲得厚度較大且品質優良的滲硼層，從而提高鈦合金表面的耐磨性能進而推動鈦合金更廣泛的應用。

一種基于激光噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法，其特征是它包括以下步驟：

首先，對鈦合金在高溫下進行激光噴丸預處理，使其表面晶粒細化且形成大量的致密位錯；所述的高溫下進行激光噴丸預處理時應首先清潔鈦合金表面，并使用鋁箔作為吸收層、耐高壓玻璃作為約束層；然后，采用釹玻璃調Q激光器，設置脈沖寬度為20~30ns、波長為1064nm、脈沖能量為8~13J、光斑半徑為3~5mm對鈦合金表面進行激光噴丸預處理，控制噴丸預處理工作溫度為160°C~240℃；

其次，將由85%~95%BC₄粉末與5%~15%氧化鈰粉末混合的滲硼劑置于經激光噴丸預處理后的鈦合金表面，在800°C~900℃進行3~5小時滲硼處理；

最后，將滲硼后的鈦合金冷卻至-150°C~-190°C，然后再進行低溫激光噴丸強化即可。

所述的作為吸收層的鋁箔的厚度25~40微米。

所述的低溫激光噴丸強化包括先在經過高溫滲硼處理后的鈦合金表貼上鋁箔，并用耐高壓玻璃作為約束層，一起置于液氮存儲槽中，降溫至-150°C~-190°C后，采用釹玻璃調Q激光器，控制激光脈沖寬度20~30ns、波長是1064nm、脈沖能量為8~13J、光斑半徑為3~5mm進行激光噴丸強化。

一種基于激光沖擊輔助的鈦合金表面低溫滲硼裝置，其特征是包括：

一激光噴丸系統，該激光噴丸系統主要由Nd:YAG激光器1和反射鏡3組成，它主要為高溫激光噴丸和低溫激光噴丸提供保障；

一高溫激光噴丸系統，該高溫激光噴丸系統主要由三維移動控制臺13、加熱平臺8、加熱系統11和計算機控制器10組成，所述的三維移動控制臺A13在工作臺控制器20的控制下由電動機19帶動移動定位于前述反射鏡3的下方，工作臺A9安裝在三維移動控制臺A13上，受控于工作臺控制器20，使得工作臺A13能在小范圍內運動，加熱平臺8安裝在工作臺A9上并受控于加熱系統11，加熱系統受控于計算機控制器10，鈦合金基體6安裝在加熱平臺8上，鋁箔吸收層5置于鈦合金基體6的表面，耐高壓玻璃4覆于鋁箔吸收層5之上；

一高溫滲硼裝置，它用于使經激光噴丸預處理后的鈦合金在800°C~900℃進行滲硼處理；