一种复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的方法与流程

本发明涉及一种强化钛镍涂层抗空蚀能力的方法，特指一种超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的方法。

背景技术：

泵、涡轮和螺旋桨等舰船动力部件在高速运行中经常出现空蚀问题，从而引起材料表面产生疲劳损伤，造成动力推进失效，其潜在危险巨大。选择具有高抗空蚀性能制备材料是解决这一问题的有效途径，钛镍合金能够通过马氏体相变吸收大部分空泡溃灭产生的冲击能量，是理想的耐空蚀材料，鉴于原材料价格过高，且空蚀裂纹仅出现在表面，在部件表面激光熔覆钛镍涂层受到工业领域的广泛关注。但随空化脉冲应力的循环作用，钛镍涂层对空化能量的吸收能力显著下降，削弱了钛镍涂层的强化效果，造成抗空蚀能力提高幅度远低于理论值，在试验阶段就发生表层出现空蚀裂纹的情况。因此，如何增强钛镍涂层的强化效果以显著提高舰船动力部件的抗空蚀性能是亟需解决的问题。

空化诱发钛镍涂层发生马氏体相变过程时，剧烈的脉冲应力易同时引起涂层表面发生塑性变形，外力卸载时不能完全恢复为母相。在空化诱发马氏体相变过程中，由于马氏体与母相的相界面不协调极易引起相界处产生较大的残余拉应力，在一定程度上加速了空蚀裂纹的萌生和扩展。因此，空化下易发生塑性变形和产生残余拉应力是舰船动力部件采取激光熔覆钛镍涂层强化亟需解决的关键问题。

事实上，在材料表面预制残余压应力可以抑制相变过程中残余拉应力产生和提高抗空蚀性能，这点已经获得人们的共识。但是，针对空化诱发的脉冲应力在表层产生塑性变形抑制了马氏体逆相变问题，强化母相以提高屈服应力(使诱发塑性变形的临界应力大于马氏体变体再取向的临界应力)才是增强钛镍合金涂层相变可逆性的关键。细化晶粒组织是实现钛镍涂层母相强化的最佳途径。基于这种考虑，有必要找到一种新的强化方法能够同时对钛镍涂层产生表层组织细化和预制残余压应力的作用，这是解决在空化工况下激光熔覆钛镍涂层对空化能量吸收能力显著下降问题的捷径。

超声振动能够有效改善熔覆层组织的不均匀程度，使熔覆层组织更加细化，提高了熔覆层的组织致密性，但该技术产生的残余压应力数值较小。激光冲击产生的残余压应力数值是超声振动的3～5倍，但激光冲击达到的组织细化程度不理想。

采用超声振动和激光冲击复合作用钛镍涂层的强化方法，克服了传统单一工艺的缺陷，解决了不能同时对钛镍涂层最大程度形成表层组织细化和最大化预制残余压应力的问题，显著提高钛镍涂层的抗空蚀能力。

技术实现要素：

本发明提供一种超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀性能的方法，利用超声振动和激光冲击作用最大程度细化钛镍涂层晶粒组织、在钛镍涂层组织表面及深度方向最大化预制残余压应力，增强马氏体相变可逆性，加强逆相变引起的应变恢复，达到延长空蚀孕育期、遏制空蚀裂纹萌生与扩展以提高抗空蚀性能的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨，然后用酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于模具下方，激光冲击组件置于模具上方；

(3)使用超声振动组件对待加工工件底面进行超声振动；同时，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对激光熔覆钛镍涂层进行激光冲击。

步骤(1)中，打磨指采用400粒度的砂纸反复打磨；酒精指体积分数为70％的酒精。

步骤(3)中所述的超声振动工艺参数如下：

超声振动频率：10～40khz；

超声振动功率：1000～5000w。

步骤(3)中所述的激光冲击工艺参数如下：

激光脉冲宽度：10ns～60ns；

激光能量：2j～100j；

激光波长：1064mm；

光斑直径：2mm～6mm；

搭接率：30～60％。

所述超声振动组件包括超声变幅杆和换能器，超声变幅杆与换能器连接，超声变幅杆作用在待加工工件底面，进行超声振动。

在上述工艺参数条件下制得的钛镍涂层组织致密、晶粒尺寸均匀细小、残余压应力数值较大，超声振动和激光冲击复合强化的钛镍涂层抗空蚀性能较好。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明对钛镍涂层表面施加激光冲击，同时对待加工工件底面施加超声振动并传递到钛镍涂层，增加晶粒尺寸均匀细化程度，显著强化母相以提高屈服应力，减少空化过程中塑性变形的发生，加强逆相变引起的应变恢复，增强对空化能量的吸收。

2.本发明对钛镍涂层施加超声振动和激光冲击，在钛镍涂层组织表面预制残余压应力较均匀稳定，显著增加残余压应力层的深度，抑制空化相变过程中残余拉应力的产生，达到延长空蚀孕育期、遏制空蚀裂纹萌生与扩展以提高抗空蚀性能的目的。

3.本发明对钛镍涂层施加超声振动和激光冲击，克服了单一超声振动残余压应力数值较小和单一激光冲击产生的组织细化程度较小的问题。

附图说明

图1是本发明实施方式的加工装置结构示意图。

图中，1.激光束、2.待加工工件、3.超声变幅杆、4.换能器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例是采用超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力

实施例和对比例中待加工工件表面的激光熔覆钛镍涂层，包括以下质量百分比的组分：ti：51％，ni：49％。

待加工工件的金属基底为镍铝青铜材料。

超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的实施例1

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于其下方，激光冲击组件置于其上方；

(3)使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为10khz，超声振动功率1000w；

(4)超声振动同时激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击。激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度10ns，激光能量6j。

超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的实施例2

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于其下方，激光冲击组件置于其上方；

(3)使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为20khz，超声振动功率2000w；

(4)超声振动同时激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击。激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度10ns，激光能量6j。

超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的实施例3

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于其下方，激光冲击组件置于其上方；

(3)使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为40khz，超声振动功率5000w。

(4)超声振动同时激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击。激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度10ns，激光能量6j。

超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的实施例4

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于其下方，激光冲击组件置于其上方；

(3)使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为20khz，超声振动功率2000w；

(4)超声振动同时激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击。激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度20ns，激光能量15j。

超声振动和激光冲击复合强化钛镍涂层抗空蚀能力的实施例5

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具组件内，超声振动组件置于其下方，激光冲击组件置于其上方；

(3)使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为20khz，超声振动功率2000w；

(4)超声振动同时激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击。激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度40ns，激光能量20j。

对比例1

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具中，使用超声振动组件中的超声变幅杆对待加工工件底面进行超声振动，超声振动频率为20khz，超声振动功率2000w。

对比例2

(1)在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面；

(2)将待加工工件置于模具中，将激光器发射出激光束辐照在约束层上并对钛镍涂层进行激光冲击，激光波长1064nm，光斑直径3mm，搭接率50％，激光脉冲宽度10ns，激光能量6j。

对比例3

在铣床上对制备好的待加工工件表面上的激光熔覆钛镍涂层表面进行打磨(用400粒度的砂纸反复打磨)，然后用体积分数为70％的酒精对打磨后的钛镍涂层进行清洗，得到平整的钛镍涂层表面。

将本发明实施例1～5强化的钛镍涂层及对比例的钛镍涂层进行能性能测试，在空蚀试验机上进行空蚀试验，通过公式(1)和(2)计算出抗空蚀阻抗，测试结果如下表1所示。

平均空蚀深度(mder,μm/h)＝△w/(10ρa△t)(1)

空蚀阻抗(re,h/μm)＝(mder)^-1(2)

式中，△w为失重量,mg；a为空蚀区域面积,cm²；△t为空蚀时间,h；ρ为材料密度,g·cm^-3。

表1实施例1～5强化钛镍涂层及对比例钛镍涂层的抗空蚀阻抗值

实验结果显示，利用本发明对激光熔覆制备的钛镍涂层进行超声振动和激光冲击复合强化，钛镍涂层表面的抗空蚀性能明显提高。其中，实施例2的抗空蚀阻抗值最高，强化后的钛镍涂层抗空蚀性能最好。