[發(fā)明專利]加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法及恒溫器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210492107.3
• 申請日: 2012-11-27
• 公開（公告）號: CN103834769A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 汪誠;安志斌;孫冬;賴志林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍空軍工程大學(xué)
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D1/34;C21D11/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料表面改性領(lǐng)域，具體涉及一種加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法及恒溫器。

背景技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（LSP）是利用高功率密度（10⁹W/cm²）、短脈沖（ns級）激光輻照金屬材料表面，產(chǎn)生等離子體沖擊波并向內(nèi)部傳播，在材料表層產(chǎn)生塑性變形，同時形成密集、穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)及細(xì)化晶粒（“組織強(qiáng)化”機(jī)制），并殘留很大的殘余壓應(yīng)力（“應(yīng)力強(qiáng)化”機(jī)制）。該技術(shù)能有效地改善材料的機(jī)械性能，尤其是能顯著地改善材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能。

常規(guī)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)中，強(qiáng)化過程中金屬材料劇烈塑性變形會產(chǎn)生大的殘余壓應(yīng)力和表面細(xì)化晶粒組織。在周期載荷的加載過程中，激光沖擊強(qiáng)化處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力并不穩(wěn)定，特別是在溫度較高的環(huán)境中，處理后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和表面納米結(jié)構(gòu)在高溫下完全被釋放，從這可看出，通過激光沖擊強(qiáng)化處理提高材料的疲勞壽命非常有限。因此，提高激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的微組織和殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性非常重要。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法及恒溫器，解決現(xiàn)有激光沖擊強(qiáng)化微組織和殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性問題。

技術(shù)方案

一種加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：采用無水乙醇清洗被加工金屬工件的表面；

步驟2：加熱金屬工件至280~300°C；

步驟3：將恒溫器的溫度調(diào)至280~300°C，將金屬工件放置在恒溫器上，將約束層石英玻璃放置在金屬工件7上并壓緊；

步驟4：在石英玻璃表面粘貼0.1mm厚的透明塑料薄膜；

步驟5：將恒溫器、金屬工件和約束層整體夾裝在成為整體，采用光斑相切的搭接方式對其進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理；

步驟6：更換新約束層，采用半圓搭接繼續(xù)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，直至光斑覆蓋全部待強(qiáng)化區(qū)域。

一種實現(xiàn)所述加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法的恒溫器，其特征在于包括導(dǎo)熱板1、多個溫度傳感器2、多個電熱器3和多個溫度控制器4；在與導(dǎo)熱板1的工作面距離2mm的層面上，中心設(shè)有一個溫度傳感器，四周均勻分布設(shè)有多個溫度傳感器；在距離該層面4mm的層面上，在每個溫度傳感器的部位上設(shè)有；每個溫度傳感器和電熱器與各自的溫度控制器電連接；所述溫度傳感器2、電熱器3和溫度控制器4數(shù)目相等。

所述導(dǎo)熱板1采用紫銅。

所述導(dǎo)熱板1的工作面為正方形，四個溫度傳感器和電熱器位于四個角，一個溫度傳感器和電熱器位于中心。

有益效果

本發(fā)明提出的一種加熱條件下的激光沖擊強(qiáng)化方法及恒溫器，與常規(guī)激光沖擊強(qiáng)化相比：

1、較高的處理溫度會導(dǎo)致塑性變形的增大，導(dǎo)致了晶粒更加細(xì)密和殘余應(yīng)力水平提高；

2、產(chǎn)生較高的位錯密度和溶質(zhì)原子對位錯的扎釘作用，并且應(yīng)變誘導(dǎo)沉降下產(chǎn)生沉積碳化物，由位錯障礙物和沉積物產(chǎn)生的扎釘作用將在塑性變形時阻礙位錯的滑移，從而提高了位錯在熱退火時和周期載荷加載時的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1：加熱激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖

1、導(dǎo)熱板，2、五個溫度傳感器，3、五個電熱器，4、五個溫度控制器，5、石英玻璃，6、塑料薄膜，7、金屬工件，8、激光束。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

本實施例中恒溫器1采用紫銅制作，在其四個角和中心的表面下2mm處安裝五個溫度傳感器2，每個溫度傳感器2下4mm處安裝電熱器3，溫度傳感器2和電熱器3連接在溫度控制器4上。

約束層采用石英玻璃5，在表面用不干膠貼上0.1mm厚的透明塑料薄膜6，防止約束層材料在強(qiáng)化過程中破裂飛濺。

本實施例中所處理的金屬工件材料為4140鋼，處理方法包括以下步驟：

步驟1：用無水乙醇清洗金屬工件7表面臟污；

步驟2：將金屬工件7放入保溫箱中加熱，溫度加熱至接近300°C。

步驟3：將恒溫器的每個溫度控制器4溫度調(diào)至300°C、浮動范圍10°C，待溫度穩(wěn)定后將金屬工件7放置在恒溫器1上，將約束層放置在金屬工件7上并壓緊。

步驟4：將恒溫器1、金屬工件7和約束層整體夾裝在機(jī)械手上，采用光斑相切的搭接方式對其進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理。

步驟5：去除更換新約束層，半圓搭接進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，直至光斑覆蓋全部待強(qiáng)化區(qū)域。

經(jīng)過上述方法對材料為4140鋼的金屬工件進(jìn)行加熱激光沖擊強(qiáng)化處理，與相同激光參數(shù)的常規(guī)激光沖擊強(qiáng)化處理進(jìn)行了殘余應(yīng)力、疲勞性能、殘余應(yīng)力的熱穩(wěn)定性和周期穩(wěn)定性對比。結(jié)果表明：在材料表面下50μm處，加熱激光沖擊強(qiáng)化殘余壓應(yīng)力提高了40%以上；加熱激光沖擊強(qiáng)化（S-N）曲線右移，在1400MPa應(yīng)力下，疲勞壽命提高3.6倍；在300°C的10小時退火后，加熱激光沖擊強(qiáng)化試樣應(yīng)力釋放值是常規(guī)激光沖擊強(qiáng)化試樣的一半。在1K次周期加載后，常規(guī)激光沖擊強(qiáng)化試樣的殘余壓應(yīng)力數(shù)值下降了29%，而加熱激光沖擊強(qiáng)化試樣的只下降了19%。