专利名称：一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法
技术领域：
本发明涉及一种轻金属材料表面改性方法，特别是关于一种综合激光冲击效应和
微纳米颗粒优异性能的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法。
背景技术：
目前，铝合金、钛合金和镁合金等轻金属材料是使用非常广泛的一类金属材料，其 拥有密度小、比强度高、易加工、较强耐腐蚀性和可循环使用等很多优良的性能，在航空航 天、汽车、电器设备、通讯器材和运动器材等领域有广泛的应用。轻金属材料的主要不足是 其表面硬度和耐磨性较差，从而在一定程度上限制了轻金属材料的应用范围。现有的轻金 属材料表面强化方法有喷丸强化、热喷涂、等离子喷涂、微弧氧化、激光合金化和激光熔覆 等等，这些方法大都涉及高温熔化过程，因此往往会引起轻金属表面的轻合金元素烧损、气 孔、裂纹等缺陷以及原有表面状态的变化。因此，发展一种针对轻金属表面强化的全新非熔 化方法具有重要意义和广阔的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种综合激光冲击效应和微纳米颗粒优异
性能的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其属于非熔化强化方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案1 、 一种轻金属表面激光冲击微纳米
颗粒注入强化方法，其包括以下步骤1)首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面
可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；2)
用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，所述微纳米颗涂层厚度为0. 1 lmm，待干
燥后在所述微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，所述吸收层的厚度为
0. 2 lmm，自然干燥；3)用高能短脉冲激光冲击所述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时
用K9玻璃或流水作为约束层；4)用丙酮浸泡处理后的所述微纳米颗涂层，然后用流水冲洗
或超声清洗去除所述吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。 在进行激光冲击处理后，对轻金属表面的所述微纳米颗粒注入强化层进行后续热 处理。 在步骤3)中进行激光冲击时，采用单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲 击。 所述微纳米颗粒包括碳化钨、碳化钛、碳化硅和碳纳米管粉末，所述微纳米颗粒尺 度为1 100纳米或0. 1 100微米。 所述高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳的Nd:YAG 激光，激光焦斑直径为1 10毫米。 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明基于高能短脉冲激光 所产生的GPa量级冲击波效应而将预置于轻金属表层的微纳米颗粒直接注入轻金属表层， 使得轻金属表层成分、结构变化从而获得优异性能，是一种全新的轻金属表面强化方法。2、由于本发明采用的激光冲击过程是一种非熔化过程，不会造成微纳米颗粒和轻金属基体的熔化，因此不存在熔化过程可能带来的轻元素烧损、气孔和裂纹等缺陷。3、本发明还可根据需要，采用轻金属热处理的标准规范，对轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化层进行后续热处理，能提高强化层的纳米颗粒分布均匀性和整体性能。4、经本发明方法处理后，微纳米颗粒将良好结合到轻金属表层并比较均匀地分布在激光处理区，微纳米颗粒注入强化层厚度可达5 ii m，激光冲击层厚度可达lmm ;基于激光冲击强化、微纳米颗粒强化及微纳米颗粒增强的激光冲击强化的综合强化作用，能显著提高轻金属表层的性能；轻金属表面经激光冲击微纳米颗粒注入强化后，表面硬度可提高2倍，耐磨性能可提高5倍以上。综上所述，本发明综合了激光冲击与微纳米颗粒的优异性能，可广泛用于铝合金、镁合金和钛合金等轻金属的表面强化，强化层不存在轻元素烧损、气孔和裂纹等缺陷，能显著提高轻金属表层的硬度、耐磨性和疲劳性能，在航空航天、汽车、能源、军工、电器设备、通讯器材和运动器材等领域有广阔的应用前景。
图1是本发明的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法示意图
图2是本发明的微纳米注入强化层中微纳米颗粒表面分布图
图3是本发明的微纳米注入强化层中微纳米颗粒截面分布图
图4是本发明的微纳米注入强化层的耐磨性能比较柱状图
具体实施例方式
本发明的基本原理是综合激光冲击效应和微纳米颗粒优异性能，利用高能短脉冲激光所产生的GPa量级冲击波将预先置于轻金属表面的微纳米颗粒直接注入轻金属表层，使轻金属表层材料的成分和结构发生变化，从而实现优异的表面性能。 其中，激光冲击是利用短脉冲(数十纳秒量级)、高能量(数十焦耳量级)的高能脉冲强激光(峰值功率达到GW量级/cm2)透过约束层(该层为透光介质)照射到吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速汽化，形成高压(> lGPa)、高温(> 10000K)的等离子体，等离子体膨胀爆炸，作用在金属的表面，并在金属内诱导出向金属内部传播的冲击波，当冲击波的峰值压强高于金属的动态屈服强度时，金属表面就会发生塑性变形，在金属表面形成密集的位错结构，并在一定的深度范围(约为l毫米)内引入残余压应力，从而可以提高金属材料的硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能和抗微动疲劳性能。激光冲击已应用于飞机发动机叶片的强化，能明显提高叶片的疲劳寿命。 微纳米材料具备小尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应以及特殊的
光学、磁学、热学、力学和化学性质，具有广泛的应用发展潜力。微纳米粉末已经越来越多地
应用于材料加工技术中，在传统的材料加工工艺中使用微纳米材料通常能够有效提高加工
性能。但微纳米粉末由于比表面能高，熔点相对于宏观尺寸的材料较低，在涉及高温的加工
过程中很容易熔化，凝固后往往失去大部分纳米性能。 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 如图1所示，本发明的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法包括以下步骤
1、首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属(如铝合金、钛合金或镁合金等) 表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表 面； 2、用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，微纳米颗涂层厚度为0. 1 lmm，待干燥后在微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，吸收层的厚度为 0. 2 lmm，自然干燥； 3、用高能短脉冲激光冲击上述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用K9玻璃或 流水作为约束层；激光冲击时可以单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击；
4、用丙酮浸泡处理后的微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除吸收层后 得到微纳米颗粒注入强化层； 5、根据需要采用轻金属热处理的标准规范，对进行激光冲击处理后轻金属表面的 微纳米颗粒注入强化层进行后续热处理，以提高微纳米颗粒注入强化层的微纳米颗粒分布 均匀性和整体性能。 上述述方法中，微纳米颗粒包括碳化鸨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)等碳化 物颗粒和碳纳米管粉末等非碳化物颗粒，微纳米颗粒尺度为1 100纳米或0. 1 100微米。 上述述方法中，高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳 的Nd:YAG激光(掺钕钇铝石榴石激光)，激光焦斑直径为1 10毫米。
下面通过三个实施例来具体说明本发明的内容。
实施例1 :铝合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化方法 铝合金有非常广泛的应用，但常用熔化强化方法可能导致轻元素烧损和裂纹等缺
陷，本发明方法实施于铝合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化，其包括以下步骤 (1)首先用机械打磨方法去除铝合金表面的氧化层，然后用800#金相砂纸打磨抛
光，最后用丙酮清洗铝合金表面； (2)用无机粘结剂将粒度为100纳米的WC颗粒预涂到铝合金表面，纳米WC颗粒涂 层厚度为0. lmm，待干燥后再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，吸收层的厚度为0. 2mm， 自然干燥； (3)用高能短脉冲Nd:YAG激光冲击上述吸收层和纳米WC颗粒涂层，激光冲击时 用K9玻璃作为约束层；激光冲击时可以单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击； 激光脉冲脉宽为10毫秒，单脉冲能量为10焦耳，激光焦斑直径为3毫米；
(4)用丙酮浸泡处理后的纳米WC颗粒涂层，然后用流水冲洗去除吸收层后得到纳 米WC颗粒注入强化层； (5)激光冲击处理后，对铝合金试样进行430回火处理。 经上述铝合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化方法处理后，纳米WC颗粒能良好 结合到铝合金表层，比较均匀地分布在激光处理区(如图2所示)，纳米WC颗粒注入强化层 厚度可达5 ii m (如图3所示)。基于激光冲击强化、纳米WC颗粒强化及纳米WC颗粒增强的 激光冲击强化的综合强化作用，能显著提高铝合金表层的性能，其表面硬度提高2倍，耐磨 性能提高5倍以上(如图4所示)。 实施例2 :镁合金表面激光冲击微米颗粒注入强化方法
5
镁合金有非常广泛的应用，但常用熔化强化方法可能导致轻元素烧损、气孔和裂 纹等缺陷，本发明方法实施于镁合金表面激光冲击微米颗粒注入强化，其包括以下步骤
(1)首先用化学腐蚀方法去除镁合金表面的氧化层，然后用900#金相砂纸打磨抛 光，最后后用酒精清洗镁合金表面； (2)用无机粘结剂将粒度为100微米的SiC颗粒预涂到镁合金表面，微米SiC 颗粒涂层厚度为O. 5mm，待干燥后再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，吸收层的厚度为 0. 5mm，自然干燥； (3)用高能短脉冲Nd: YAG激光冲击上述吸收层和微米SiC颗粒涂层，激光冲击时
用流水作为约束层；激光冲击时可以单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击；激
光脉冲脉宽为50毫秒、单脉冲能量为50焦耳，激光焦斑直径为6毫米； (4)用丙酮浸泡处理后的微米SiC颗粒涂层，然后用流水冲洗去除吸收层后得到
微米SiC颗粒注入强化层。 经上述镁合金表面激光冲击微米颗粒注入强化方法处理后，微米SiC颗粒能良 好结合到镁合金表层，比较均匀地分布在激光处理区，微米SiC颗粒注入强化层厚度可达 3 ii m。基于激光冲击强化、微米SiC颗粒强化及微米SiC颗粒增强的激光冲击强化的综合 强化作用，能显著提高镁合金表层的性能，其表层硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能和抗微动 疲劳性能均大幅度提高。 实施例3 :钛合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化方法 钛合金有非常广泛的应用，但常用熔化强化方法可能导致轻元素烧损、气孔和裂 纹等缺陷，本发明方法实施于钛合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化，其包括以下步骤
(D首先用机械打磨方法去除钛合金表面的氧化层，然后用1000#金相砂纸打磨
抛光，最后用丙酮清洗钛合金表面； (2)用无机粘结剂将粒度为1纳米的TiC颗粒预涂到钛合金表面，纳米TiC颗粒涂 层厚度为lmm，待干燥后再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，吸收层的厚度为lmm，自然 干燥； (3)用高能短脉冲Nd: YAG激光冲击上述吸收层和纳米TiC颗粒涂层，激光冲击时
用K9玻璃作为约束层；激光冲击时可以单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击；
激光脉冲脉宽为100毫秒、单脉冲能量为100焦耳，激光焦斑直径为10毫米； (4)用丙酮浸泡处理后的纳米TiC颗粒涂层，用超声清洗去除吸收层后得到纳米
TiC颗粒注入强化层。 经上述钛合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化方法处理后，纳米TiC颗粒能良 好结合到钛合金表层，比较均匀地分布在激光处理区，纳米TiC颗粒注入强化层厚度可达 2 ii m。基于激光冲击强化、纳米TiC颗粒强化及纳米TiC颗粒增强的激光冲击强化的综合 强化作用，能显著提高钛金属表层的性能，其表层硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能和抗微动 疲劳性能均大幅度提高。
权利要求
一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其包括以下步骤1)首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；2)用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，所述微纳米颗涂层厚度为0.1～1mm，待干燥后在所述微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，所述吸收层的厚度为0.2～1mm，自然干燥；3)用高能短脉冲激光冲击所述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用K9玻璃或流水作为约束层；4)用丙酮浸泡处理后的所述微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除所述吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。
2. 如权利要求1所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于在进行激光冲击处理后，对轻金属表面的所述微纳米颗粒注入强化层进行后续热处理。
3. 如权利要求1所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于在步骤3)中进行激光冲击时，采用单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击。
4. 如权利要求2所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于在步骤3)中进行激光冲击时，采用单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击。
5. 如权利要求1或2或3或4所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于所述微纳米颗粒包括碳化钨、碳化钛、碳化硅和碳纳米管粉末，所述微纳米颗粒尺度为1 100纳米或0. 1 100微米。
6. 如权利要求1或2或3或4所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于所述高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳的Nd:YAG激光，激光焦斑直径为1 10毫米。
7. 如权利要求5所述的一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其特征在于所述高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳的Nd:YAG激光，激光焦斑直径为1 10毫米。
全文摘要
本发明涉及一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其包括以下步骤1)首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；2)用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，待干燥后在微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，自然干燥；3)用高能短脉冲激光冲击吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用K9玻璃或流水作为约束层；4)用丙酮浸泡处理后的微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。本发明综合了激光冲击强化、纳米颗粒强化及纳米颗粒增强的激光冲击强化作用，能显著提高轻金属表层的硬度、耐磨性和疲劳性能，有广泛的应用前景。
文档编号C22F3/00GK101736214SQ20101003376
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者刘文今, 吕亮, 张红军, 朱仁杰, 钟敏霖, 马明星 申请人:清华大学