專利名稱：一種提高材料高溫疲勞壽命的強(qiáng)化方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造與材料處理加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種激光沖擊與低溫離子注入 復(fù)合處理技術(shù)延長高溫條件下工件的疲勞壽命的方法與裝置，尤其適用于高溫疲勞條件下金 屬材料及合金材料的表面強(qiáng)化改性。
技術(shù)背景激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、 磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用， 在金屬材料表面形成塑性變形層，從而使金屬材料的疲勞強(qiáng)度與硬度等性能得以提高，尤其 是疲勞壽命。這一技術(shù)已在航空、船舶、機(jī)械工程、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用， 目前該技術(shù)主要用于材料改性、金屬沖擊強(qiáng)化和成形，以及無損檢測等方面。離子注入技術(shù)是將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內(nèi)，以改變表面層物 理和化學(xué)性質(zhì)的一種材料表面改性技術(shù)。其基本原理是用能量為100keV量級的離子束入射 到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離 子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu) 化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。由于設(shè)備構(gòu)件多處在高溫、高壓等復(fù)雜多變的工況條件下，例如在航空航天、石油化工、 核子工業(yè)、動力機(jī)械行業(yè)中。這些復(fù)雜的載荷、苛刻的環(huán)境都對設(shè)備材料的疲勞、蠕變性能 造成很大的影響，使得對材料的高溫性能提出來很大的挑戰(zhàn)。本發(fā)明技術(shù)就是將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)與低溫離子注入處理這兩種技術(shù)有效結(jié)合起來，利 用各自的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)對方的不足，零件材料經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理后再對其表面進(jìn)行離子注 入復(fù)合處理加工，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力，這樣零件材料同時具有高耐磨性、抗蝕性、 抗高溫氧化性能，且在高溫疲勞條件下激光沖擊所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不會大大釋放，從而提 高零件的高溫疲勞壽命。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是綜合解決材料表面強(qiáng)化改性產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力在高溫疲勞條件下容易釋 放的難題。一種激光沖擊和低溫離子注入復(fù)合處理技術(shù)延長零件高溫疲勞壽命的方法與裝置, 利用激光沖擊產(chǎn)生的高幅值殘余壓應(yīng)力層，與離子注入提高零件表面的耐磨性和抗腐蝕性， 有效地改善零件的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的高溫疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。這種技術(shù)明顯提高了零件的高溫疲勞壽命，擴(kuò)大了材料的使用溫度。
本發(fā)明提供了用激光沖擊與低溫離子注入復(fù)合處理技術(shù)延長高溫疲勞件疲勞壽命的裝置，該裝置由激光沖擊強(qiáng)化裝置和離子注入機(jī)組合而成，激光強(qiáng)化裝置由依次相連的激光發(fā)生器控制裝置、激光發(fā)生器、多軸復(fù)合運(yùn)動的工作平臺組成。在激光沖擊波的高壓作用下，金屬表面形成極大的沖擊或應(yīng)力波，從而使材料表層顯微組織中產(chǎn)生密集、均勻、穩(wěn)定的位錯壓結(jié)構(gòu)，材料表面晶粒得到細(xì)化，殘留高幅值壓應(yīng)力層。
激光沖擊處理結(jié)束后，再對工件在離子注入機(jī)上進(jìn)行離子注入。根據(jù)美國SAE激光沖擊強(qiáng)化規(guī)范，為了預(yù)防殘余壓應(yīng)力的降低，離子注入處理時，最高溫度不超過20(TC，離子注入后無需再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理。由于激光沖擊處理后試樣表面活性增大，更利于注入的離子向基體擴(kuò)散，使試樣表面的注入離子濃度梯度更為平緩，在服役過程中，離子注入層不容易剝落而且有效的防止了激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力在高溫疲勞下的松弛。從而有效地改善了金屬材料的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的高溫疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。
本發(fā)明表面處理方法的創(chuàng)新，在于充分結(jié)合了激光沖擊強(qiáng)化和低溫離子注入工藝的特點(diǎn)，激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能明顯降低裂紋擴(kuò)展速率，并可能提高疲勞裂紋擴(kuò)展門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子，這種強(qiáng)化效應(yīng)在結(jié)構(gòu)的止裂上有很好的工程應(yīng)用前景。但很多設(shè)備經(jīng)常要在高溫高壓下長期工作，這樣強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力將會釋放，而離子注入可有效的阻止殘余壓應(yīng)力在高溫疲勞下的釋放。將這兩者結(jié)合起來，可以對金屬材料進(jìn)行全方位綜合表面改性強(qiáng)化。
這項(xiàng)技術(shù)主要用于在高溫高壓條件下具有高耐磨、抗高蝕、易疲勞、減摩性的精密機(jī)械零件的表面處理以及各種固體材料和粉末材料的改性要求，如航空、航天、石油和化工領(lǐng)域。該技術(shù)可用來代替高污染的電鍍工藝，代替金屬熱處理中的許多工藝，代替某些表面強(qiáng)化技術(shù)。以提高耐磨、耐疲勞性能，特別是用來解決零件高溫疲勞失效的難題。同樣，也可用來代替發(fā)藍(lán)、鍍鉻、鍍鎳等表面防護(hù)，以便大幅度提高零件的抗蝕性，大大降低生產(chǎn)成本。進(jìn)一步推廣該技術(shù)可以應(yīng)用在石油、化工，機(jī)械工程、汽車、核子工業(yè)、軍械、機(jī)床、模具加工等行業(yè)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下-
(1) 可滿足工件的多種性能要求激光沖擊與低溫離子注入復(fù)合處理不僅能對金屬結(jié)構(gòu)件表面強(qiáng)化改性處理，而且適用于于合金結(jié)構(gòu)件，激光沖擊形成的殘余應(yīng)力層深度比機(jī)械噴丸深約10倍左右，離子注入提高工件耐磨性、抗高溫氧化性、抗疲勞性及抗腐蝕特性，所以工件的疲勞壽命大大提高，特別是高溫疲勞壽命。
(2) 該復(fù)合處理后材料表面的變形很小，不影響材料心部性能。激光沖擊金屬表面時，由于激光沖擊的時間極短(ns量級)，工件幾乎沒有受到熱影響，其表面溫度僅在120'C左右， 故激光沖擊處理主要是利用其高壓力學(xué)效應(yīng)而非熱效應(yīng)，從而可將激光沖擊處理工藝歸為冷 加工工藝。離子注入處理溫度低，無需熱激活，無需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會改變工件 的外形尺寸和表面光潔度。復(fù)合處理后工件基本不變形、外觀均勻、美麗、可作為產(chǎn)品最終 處理。(3) 該復(fù)合處理技術(shù)簡單快捷、效率高，生產(chǎn)維護(hù)成本低，處理時間短(30min 5h)可 實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)的高效率。(4) 該復(fù)合處理技術(shù)是一種純凈的無公害的表面處理技術(shù)。


圖l為激光沖擊與低溫離子注入復(fù)合處理工藝流程圖。 圖2為激光沖擊強(qiáng)化示意圖。
具體實(shí)施方式
先進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理清洗要沖擊的表面、干燥、涂上涂層(86- 1型黑色涂料)、裝夾、加約束層(水)、激光沖擊+清洗沖擊區(qū)的黑漆+干燥。在采用激光沖擊強(qiáng)化過程中，激光輸出波長為1.054Mm，輸出激光的脈沖寬度(FWHM)為 22.1ns，激光脈沖能量約為35J時，脈沖激光1經(jīng)過光學(xué)鏡片2聚焦后，光斑匯聚在零件應(yīng)力集 中部位3處，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后，發(fā)現(xiàn)材料的表面殘余壓應(yīng)力與位錯密度均得到極為顯著的 提高，從而零件疲勞壽命延長了許多，裂紋萌生時的循環(huán)次數(shù)由原來的15000次循環(huán)延長到 35000次左右，從而極大地提高了疲勞壽命。低溫離子注入清洗(氬離子濺射清洗30 min,以除去試樣表面殘存的氧化物和油漬)+ 干燥+離子注入(注入能量為60 keV,束流密度為8uA/cm2 ，最大溫度不超過200 'C，注入 劑量為IXIO 17ion / cm2)真空度為6.8X10 -6Torr。經(jīng)激光強(qiáng)化處理后在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，由于殘余壓應(yīng)力在疲勞載荷中起著負(fù)平 均應(yīng)力的作用，延緩了疲勞裂紋的萌生。但是材料表層的殘余壓應(yīng)力在熱應(yīng)力、熱應(yīng)變的高溫 疲勞環(huán)境中將會大大釋放，經(jīng)低溫離子注入后，將會抑制殘余應(yīng)力的釋放，從而增加零件在 高溫疲勞環(huán)境中疲勞裂紋的擴(kuò)展，提高使用壽命。
權(quán)利要求
1、一種提高高溫條件下零件的疲勞壽命的材料改性方法，其特征在于首先進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，將零件要處理的表面依次進(jìn)行清洗、干燥、涂黑漆、加約束層、激光沖擊強(qiáng)化、清洗、干燥；然后在激光沖擊的表面進(jìn)行離子注入處理，將零件要處理的表面依次進(jìn)行清洗、干燥、離子注入。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高溫條件下零件的疲勞壽命的材料改性方法，其特征在于為了預(yù)防殘余壓應(yīng)力的降低，離子注入處理時，最高溫度不超過200。C。
3、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高溫條件下零件的疲勞壽命的材料改性方法的裝置，其特 征在于由激光沖擊強(qiáng)化裝置和離子注入機(jī)組合而成，激光強(qiáng)化裝置由依次相連的激光發(fā) 生器控制裝置、激光發(fā)生器、多軸復(fù)合運(yùn)動的工作平臺組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高高溫條件下零件的疲勞壽命的材料改性方法和裝置，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)與低溫離子注入處理這兩種技術(shù)有效結(jié)合起來，利用各自的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)對方的不足，零件材料經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理后再對其表面進(jìn)行離子注入復(fù)合處理加工，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力，這樣零件材料同時具有高耐磨性、抗蝕性、抗高溫氧化性能，且在高溫疲勞條件下激光沖擊所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不會大大釋放，從而提高零件的高溫疲勞壽命。
文檔編號C21D1/09GK101629227SQ20091018430
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者任旭東, 馮愛新, 姜大為, 田 張, 張永康, 朱圣才 申請人:江蘇大學(xué)