一种激光诱导冲击使金属表面渗透纳米粉末的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种激光诱导冲击使金属表面 渗透纳米粉末的方法。
【背景技术】
[0002] 表面完整性控制技术通常是高性能零件制造的最后一道工序，也是最为关键的一 道工序。其目的是提高大型精密零件的表面质量及其力学性能，从而使零件达到预期的使 用性能。大型精密零件不但要求尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等，也要求精密零件的最 终力学性能和化学性能，包括抗疲劳强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能等，并最终影响零件 的装配及使用性能。而为提高零件力学/化学性能，相继发展了机械喷丸、超声喷丸、机械 滚压、液力挤压等表面强化方法，使得零件的表面及次表面产生均匀的压应力层，改善零件 的表面组织结构。这些技术在航空航天领域常用于发动机叶片、整体叶盘等精密零件的表 面强化，成为提高该类零件表面力学及化学性能的不可替代的方法。但是这些方法也存在 着各种各样的问题，如喷丸纳米植入，需要预先将纳米制作出微米颗粒团，然后通过冷喷涂 方法喷涂在试件表面保证微米颗粒团与试件之间形成足够大的结合力，避免在喷丸过程中 脱落，操作过程复杂，并且只能针对规则的小尺寸平面，而对试件形状大小要求严格。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光诱导冲击使金属表面渗透纳米粉 末的方法，目的是实现纳米颗粒渗入金属基材表面，大幅提高基体金属材料表面的表面硬 度、疲劳寿命和耐磨损性。
[0004] 实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行： (1) 在洁净间中，在吸收层的表面涂覆形成0.1 mm厚的纳米颗粒涂覆层，将上述吸收层 覆盖在靶材的工作端面； (2) 将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为 I-3mm的约束层； (3) 将待处理的基材金属表面朝向激光束，以激光脉宽为20-40ns、激光波长为 1064nm、激光光束直径为2-5mm、激光能量为1-5J、重复频率为2Hz的激光束进行预渗透处 理，其中搭接率为10%，渗透1-2遍； (4) 激光预处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为10-20ns、激光波长为1064nm、激光 光束直径为2-5mm、激光能量为2-10J、重复频率为1Hz，进行渗透处理，其中搭接率为30%， 渗透2-4遍； (5) 基材金属激光后，去除靶材表面的吸收层，将经渗透处理后的基材金属放入超声清 洗机中，超声清洗机中装有温度为18~22°C、体积浓度为75%的酒精，超声频率为35-55kHz， 清洗l〇_15min，然后利用去离子水冲洗，最后用100°C的干燥箱烘干5min，基材金属表面渗 入纳米颗粒，硬度得到提高。
[0005] 所述的吸收层是黑色胶带。
[0006] 所述的在吸收层的表面涂覆形成0.1 mm厚的纳米颗粒涂覆层具体方法是在0.1 mm 厚的塑料薄板中间剪出一个矩形孔洞，将吸收层放在塑料薄板下方，在矩形孔洞处均匀的 涂覆纳米颗粒，将多余部分清理干净，使吸收层表面形成〇. Imm厚的颗粒涂覆层。
[0007] 所述的约束层是透光玻璃或去离子水，当约束层是透光玻璃时，要求玻璃与吸收 层之间贴合紧密无缝隙，当约束层是去离子水时，要求加工过程无波浪和飞溅。
[0008] 所述的基材金属表面渗透处理使用的激光能量为基材金属表面渗透预处理使用 的激光能量的一倍，脉宽为预处理的一半，即能量密度提高4倍。
[0009] 与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是： 本发明的激光诱导冲击使金属表面渗透纳米粉末的方法，是一种新型的表面改性工 乙， 其机理如附图图2所示，具体是利用短脉冲的高能量密度的激光辐照金属表面，诱发 激光诱导等离子体的形成，金属表面黏贴的吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化，并吸收 激光能量并形成高温、高压的等离子体，在约束层的约束下，等离子体形成高强度压力渗透 波，这种渗透波压力高达数GPa，渗透波的阈值远大于材料的动态屈服应力，作用于金属表 面并向金属内部传播，同时等离子体渗透波压力使纳米颗粒瞬间形成离子，在强大的渗透 波的作用下，在常温下实现纳米颗粒渗入金属基材表面，使材料表面发生强烈的塑性变形， 改变了基材金属表面的晶体结构和取向分布，使金属表面的晶格发生占位和取代，改变了 金属表面元素成分，金属表面的元素重新分布，引起晶格畸变、位错和晶粒细化，从而提高 金属表面的强度和硬度，进而提高金属零件的耐磨损和疲劳寿命。
[0010] 本发明中表面渗透处理后的基材金属清洗的目的是为保证基体材料上不残留有 机物质和物理镶嵌。
[0011] 本发明操作工艺简单、是一种低成本、高效、绿色的金属表面处理技术。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明激光诱导冲击使金属表面渗透纳米粉末的方法的工艺流程图； 图2是本发明激光诱导冲击使金属表面渗透纳米粉末的方法的机理示意图； 其中:激光束；2 :约束层；3 :吸收层；4 :纳米颗粒涂覆层；5 :基材金属。
【具体实施方式】
[0013] 本发明实施例中的黑色胶带对1064nm的激光束不透明，当激光束福照在黑胶带 表面时能够吸收激光能量，在胶带和基体金属之间产生瞬间高温高压的等离子体，并且能 够有效的防止激光束烧伤基体材料表面，如3M公司的3M471号胶带和3M425胶带。
[0014] 本发明实施例中的洁净间为万级洁净间，又称为无尘室或清净室，根据GB/ T16292-1996,空气洁净度指标为尘埃（多0. 5 μ m)最大允许为350, 000数/立方米，游浮菌 为100个/立方米，沉降菌为3个/皿。
[0015] 实施例1 本实施例中的基材金属为：6082铝合金（200_X 100_X 3_)，经过进行机械抛光，然 后用75%的酒精清洗表面，烘干备用，纳米颗粒为镍合金； 本实施例按照以下步骤进行： (1) 在洁净间中，在吸收层的表面涂覆形成0.1 mm厚的纳米颗粒涂覆层，将上述吸收层 覆盖在靶材的工作端面； (2) 将覆盖有吸收层的靶材的工作端面安装在工作台上，在吸收层上施加一层厚度为 Imm的约束层； (3) 将待处理的基材金属表面朝向激光束，以激光脉宽为20ns、激光波长为1064nm、激 光光束直径为5mm、激光能量为1J、重复频率为2Hz的激光束进行预渗透处理，其中搭接率 为10%，渗透1遍； (4) 激光预处理后，调整激光工艺参数：激光脉宽为10ns、激光波长为1064nm、激光光 束直径为5mm、激光能量为2J、重复频率为1Hz，进行渗透处理，其中搭接率为30%，渗透3 遍； (5) 基材金属激光后，去除靶材表面的吸收层，将经渗透处理后的基材金属放入超声清 洗机中，超声清洗机中装有温度为18°C、体积浓度为75%的酒精，超声频率为45kHz，清洗 12min，然后利用去离子水冲洗，最后用KKTC的干燥箱烘干5min，基材金属表面渗入纳米 颗粒，硬度得到提高。
[0016] 制备显微硬度、疲劳寿命和耐磨损标准试样，进行相关力学性能测试，如表1所 示，其耐磨损性能与未加工的金属基材表面相比提高了 13%。
[0017] 实施例2 本实施例中的基材金属为TC