基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及裝置的製作方法

2023-04-23 04:22:56 2

專利名稱：基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種鈦合金表面滲硼方法及其裝置，尤其是ー種鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置，具體地說是ー種基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置。
背景技術：
眾所周知，鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性能好、耐熱性能優良、無磁等一系列特性而廣泛應用於石油、化工、冶金、生物醫學和體育用品等領域，並已成為新エ藝和新設備不可缺少的金屬材料。然而，鈦合金的耐磨損性能較差，極大地限制了其更廣泛的應用。表面耐磨處理技術是提高鈦合金耐磨性能行之有效的方法，目前已經發展了多種 鈦合金表面耐磨處理工藝，包括氣相沉積、熱滲鍍、熱噴塗、離子注入及微弧氧化等。其中，滲硼處理，不僅所形成的表面改性層具有良好的耐磨損、抗摩擦和耐腐蝕性，而且具有エ藝簡單易實施、對基體材料要求不高等特點，故受到了鈦合金表面耐磨處理領域專家學者的重視。但是，目前鈦合金表面滲硼處理通常是在高溫(1000°c 1200°C)下進行，存在著易引起鈦合金相組織變化造成其力學性能下降、滲硼層脆性較大且缺陷較多等問題。因此，鈦合金低溫滲硼成為業內追求的目標之一。但是，眾所周知，當滲硼溫度降低到1000°C以下，硼不易擴散到鈦合金中去，故所獲得的滲硼層厚度很薄(有文獻報導其僅為25 u m左右)，其實用價值尚不夠理想。因此，到目前為止，尚未有ー種能夠有效克服前述不足的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置可供使用。

發明內容
本發明的目的是針對現有的鈦合金表面低溫滲硼時效果差，滲層深度不能滿足要求的問題，發明一種雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法及其裝置，利用雷射噴丸的高功率密度、短脈衝強雷射衝擊作用，増加硼擴散通道以及減少鈦合金表面滲硼層缺陷，在低溫條件下實現在鈦合金表面上獲得厚度較大且品質優良的滲硼層，從而提高鈦合金表面的耐磨性能進而推動鈦合金更廣泛的應用。ー種基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法，其特徵是它包括以下步驟 首先，對鈦合金在高溫下進行雷射噴丸預處理，使其表面晶粒細化且形成大量的緻密
位錯；所述的高溫下進行雷射噴丸預處理時應首先清潔鈦合金表面，並使用鋁箔作為吸收層、耐高壓玻璃作為約束層；然後，採用釹玻璃調Q雷射器，設置脈衝寬度為2(T30ns、波長為1064nm、脈衝能量為8 13J、光斑半徑為3 5mm對鈦合金表面進行雷射噴丸預處理，控制噴丸預處理工作溫度為160° C240V ；
其次，將由859T95%BC4粉末與5% 15%氧化鈰粉末混合的滲硼劑置於經雷射噴丸預處理後的鈦合金表面，在800° (T900°C進行3飛小時滲硼處理；
最後，將滲硼後的鈦合金冷卻至-150° (T-190° C，然後再進行低溫雷射噴丸強化即可。所述的作為吸收層的鋁箔的厚度25 40微米。所述的低溫雷射噴丸強化包括先在經過高溫滲硼處理後的鈦合金表貼上鋁箔，並用耐高壓玻璃作為約束層，一起置於液氮存儲槽中，降溫至-150° (T-190° C後，採用釹玻璃調Q雷射器，控制雷射脈衝寬度2(T30ns、波長是1064nm、脈衝能量為8 13J、光斑半徑為
3、mm進行雷射噴丸強化。ー種基於雷射衝擊輔助的鈦合金表面低溫滲硼裝置，其特徵是包括
一雷射噴丸系統，該雷射噴丸系統主要由Nd = YAG雷射器I和反射鏡3組成，它主要為 高溫雷射噴丸和低溫雷射噴丸提供保障；
一高溫雷射噴丸系統,該高溫雷射噴丸系統主要由三維移動控制臺13、加熱平臺8、加熱系統11和計算機控制器10組成，所述的三維移動控制臺A13在工作檯控制器20的控制下由電動機19帶動移動定位於前述反射鏡3的下方，工作檯A9安裝在三維移動控制臺A13上，受控於工作檯控制器20，使得工作檯A13能在小範圍內運動，加熱平臺8安裝在工作檯A9上並受控於加熱系統11，加熱系統受控於計算機控制器10，鈦合金基體6安裝在加熱平臺8上，鋁箔吸收層5置於鈦合金基體6的表面，耐高壓玻璃4覆於鋁箔吸收層5之上；一高溫滲硼裝置，它用於使經雷射噴丸預處理後的鈦合金在800° (T90(TC進行滲硼處理；
一低溫雷射噴丸系統，該低溫雷射噴丸系統包括三維移動控制臺B21、工作檯B22、液氮存儲槽18和液氮罐17組成，三維移動控制臺B21工作吋，由前述的工作檯控制器20控制，在電動機19的驅動下移動至前述三維移動控制臺A13的位置處即反射鏡3的下方，エ作臺B22安裝在三維移動控制臺B21上，受控於工作檯控制器20，使得工作檯B22能在小範圍內運動，液氮存儲槽18安裝在工作檯B22上，液氮存儲槽18和液氮罐17通過液氮導流管14相連，流量控制閥15安置在液氮導流管14上並靠近液氮罐17 —端，通過調節增壓閥16和流量控制閥15使得液氮通過液氮導流管14輸送到液氮存儲槽18裡，由經過高溫滲硼的鈦合金及覆蓋在鈦合金表面的鋁箔吸收層、耐高壓玻璃組成的待低溫強化組合體安裝在液氮存儲槽18中。所述的加熱平臺上安裝有測量加熱溫度的溫度傳感器7。所述的電動機19連接有電動機控制器12。本發明的有益效果
(I)滲硼前在高溫下進行雷射噴丸預處理，由於160° (T240° C已經達到TC4鈦合金的動態應變時效溫度比室溫下進行雷射噴丸預處理更能產生強塑性變形和高密度位錯，表面存在大量晶界，可以加速B原子擴散，從而形成較厚的滲硼層；滲硼層深度可達到85微米以上，超出了現有的高溫滲硼所能達到的深度，是現有的低溫滲硼的幾倍。(2)由於在進行滲硼之前進行了高溫下雷射噴丸，產生了大量利於B原子擴散的通道，因而可以使得滲硼エ藝在低於鈦合金金相組織溫度進行，從鈦合金相變帶來的不利影響；
(3)滲硼結束後再進行低溫雷射衝擊強化，可以有效細化滲硼層晶粒，產生緻密的納米級組織，提高鈦合金的力學性能，同時加強滲硼層和基體的結合強度，；
(4)本發明使用液氮作為冷卻液，無毒，無味，可以減少環境汙染；(5)本發明採用的是雷射衝擊強化，清潔，高效，易於控制，具有良好的發展前景。


圖I是本發明的滲硼裝置的組成結構示意圖。圖中，I、Nd = YAG雷射器；2、雷射束；3、反射鏡；4、耐高壓玻璃；5、鋁箔吸收層；6、鈦合金試樣；7、溫度傳感器；8、加熱平臺；9工作檯A ;10、計算機控制器；11、加熱系統；12、電動機控制器；13、三維移動控制臺A ;14、液氮導流管；15、流量控制閥；16、增壓閥；17、液氮罐；18、液氮存儲槽；19、電動機；20、工作檯控制器；21、三維移動控制臺B ;22、工作檯B。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進ー步的說明。如圖I所示。本發明的整個裝置主要由雷射噴丸系統、加熱系統、冷卻系統、三維移動控制臺13、電動機19、電動機控制器12以及溫度傳感器7組成，其中，雷射噴丸系統主要包括Nd: YAG雷射器I、計算機控制器10、工作檯9 ;加熱系統11與計算機控制器10和溫 度傳感器7通過導線相連，加熱系統11上有溫度顯示屏幕，溫度傳感器7固定在加熱平臺8上，加熱平臺8置於工作檯9上，工作檯9置於三維移動控制臺13上，三維移動控制臺13與電動機19相連，電動機19接於電動機控制器12上，可以適時的通過電動機19控制三維移動控制臺13的移動；冷卻系統包括液氮存儲槽18、液氮罐17、液氮導流管14、增壓閥16以及流量控制閥15，其中，液氮導流14與液氮存儲槽18和液氮罐17相連，流量控制閥15安置在液氮導流管14上並靠近液氮罐17 —端，通過調節增壓閥16和流量控制閥15使得液氮通過液氮導流管14輸送到液氮存儲槽18裡。將鈦合金試樣6進行去氧化處理、拋光、清洗後獲得清潔表面，在鈦合金表面貼上鋁箔吸收層5 (40 y m)，再覆上耐高壓玻璃4作為約束層，完成後將上述鈦合金試樣6固定在溫度傳感器7上,打開加熱系統11設定好與エ作溫度(160° (T240。C)，加熱平臺8通過溫度傳感器7將溫度傳導給TC4鈦合金6，當加熱系統11上溫度顯示屏幕達到設定溫度吋，停止加熱，打開Nd: YAG雷射器I，設置雷射器參數釹玻璃調Q雷射器，雷射脈衝寬度2(T30ns，波長是1064nm，脈衝能量為8 13J，光斑半徑為3 5mm，使得Nd = YAG雷射器I發出的雷射束2經反射鏡3打到鈦合金試樣6上，同時調節計算機控制器10設定雷射器參數，並通過工作檯控制器20控制工作檯9按照預定的軌跡小範圍運動，對鈦合金試樣6進行雷射噴丸預處理，雷射噴丸預處理使其表面晶粒細化且形成大量的緻密位錯後，關閉Nd:YAG雷射器I ;待噴丸後的試樣空冷至室溫後，通過電動機控制器12控制電動機19使得三維移動控制臺13向左移動，直至移出雷射噴丸區域，取下鈦合金試樣6，耐高壓玻璃4和鋁箔吸收層5，將859T95%BC4粉末與5% 15%氧化鈰粉末混合，預置在鈦合金6表面，一起放入不鏽鋼罐內，放入加熱爐內加熱至800° (T900° C，保溫3飛個小時，然後空冷卻至室溫；再次調節電動機控制器12控制電動機19使得三維移動控制臺21向左移動，直至移到雷射噴丸區域，手動將溫度傳感器7置於液氮存儲槽18內，並固定好，再將滲硼後的鈦合金6貼上鋁箔吸收層5，覆上耐高壓玻璃4，將上述鈦合金6固定在溫度傳感器7上，打開流量控制閥15和增壓閥16，使得液氮通過液氮導流管14輸送到液氮存儲槽18中，並觀察加熱系統11上溫度顯示屏幕上的溫度，適時控制流量控制閥15控制液氮的流速，當溫度降低到-150° (T-190° C時，關閉流量控制閥15和增壓閥16，打開Nd:YAG雷射器1，調節雷射器參數釹玻璃調Q雷射器，雷射脈衝寬度2(T30ns，波長是1064nm，脈衝能量為8 13J，光斑半徑為3 5mm，同時通過工作檯控制器20控制工作檯22按照預定的軌跡小範圍運動軌跡，在低溫下對鈦合金6進行雷射噴丸強化，雷射噴丸結束後關閉Nd: YAG雷射器I取下鈦合金試樣6揭下鋁箔吸收層5和耐高壓玻璃4，並用酒精清潔其表面，即可完成基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼。實施例。取試樣為10 mm X 10 mm X 6 m m的TC4鈦合金,並對其進行去氧化處理,拋光,清洗
後獲得清潔表面，將TC4鈦合金進行去氧化處理，拋光，清洗後獲得清潔表面，在TC4鈦合金表面貼上鋁箔吸收層5 (40um),再覆上耐高壓玻璃4作為約束層，完成後將上述TC4鈦合金固定在溫度傳感器7上，打開加熱系統11設定好與工作溫度(200° C)，加熱平臺8通過溫度傳感器7將溫度傳導給TC4鈦合金，當加熱系統11上溫度顯示屏幕達到設定溫度吋，停止加熱，打開Nd = YAG雷射器1，設置雷射器參數釹玻璃調Q雷射器，雷射脈衝寬度20ns，波長是1064nm，脈衝能量為10J，光斑半徑為4mm，使得Nd = YAG雷射器I發出的雷射束2經反射鏡3打到TC4鈦合金上，調節計算機控制器10設定雷射器參數，並通過工作檯控制器20控制工作檯9按照預定的軌跡小範圍運動軌跡，對TC4鈦合金進行雷射噴丸強化，雷射噴丸強化後，關閉Nd: YAG雷射器I ;待噴丸後的試樣空冷至室溫後，通過電動機控制器12控制電動機19使得三維移動控制臺13向左移動，直至移出雷射噴丸區域，取下TC4鈦合金試樣，耐高壓玻璃4和鋁箔吸收層5，將95%BC4粉末與5%氧化鈰粉末混合(也可為85%的BC4粉末與15%氧化鈰粉末混合，即BC4粉末的含量控制在85-95%之間，氧化鈰粉末的含量控制在5-15%之間)，預置在TC4鈦合試樣表面，一起放入不鏽鋼罐內，放入加熱爐內加熱至850° C，保溫4個小時，然後空冷卻至室溫；再次調節電動機控制器12控制電動機19使得三維移動控制臺21向左移動，直至移到雷射噴丸區域，手動將溫度傳感器7置於液氮存儲槽18內，並固定好，再將滲硼後的TC4鈦合金貼上鋁箔吸收層5，覆上耐高壓玻璃4，將上述TC4鈦合金6固定在溫度傳感器7上，打開流量控制閥15和增壓閥16，使得液氮罐17中的液氮通過液氮導流管14輸送到液氮存儲槽18中，並觀察加熱系統11上溫度顯示屏幕上的溫度，適時控制流量控制閥15控制液氮的流速，當溫度降低到-170° C時，關閉流量控制閥15和增壓閥16，打開Nd:YAG雷射器1，調節雷射器參數釹玻璃調Q雷射器，雷射脈衝寬度20ns，波長是1064nm，脈衝能量為10J，光斑半徑為4mm，並通過工作檯控制器20控制エ作臺22按照預定的軌跡小範圍運動軌跡，在低溫下對TC4鈦合金進行雷射噴丸強化，雷射噴丸結束後關閉Nd = YAG雷射器I取下TC4鈦合金揭下鋁箔吸收層5和耐高壓玻璃4，並用酒精清潔其表面，即可完成基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼。測量其表面滲硼層厚度、硬度、摩擦磨損性能等。實驗完畢後，用硬度測試儀測得其滲層顯微硬度、XRD測得其滲硼層厚度等；測得滲層顯微硬度最大達到890HV，現有技術所得的滲層最大顯微硬度為570HV ;滲硼層厚度達到85 u m,現有技術最大滲硼層厚度為25 u m。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.ー種基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法，其特徵是它包括以下步驟 首先，對鈦合金在高溫下進行雷射噴丸預處理，使其表面晶粒細化且形成大量的緻密位錯；所述的高溫下進行雷射噴丸預處理時應首先清潔鈦合金表面，並使用鋁箔作為吸收層、耐高壓玻璃作為約束層；然後，採用釹玻璃調Q雷射器，設置脈衝寬度為2(T30ns、波長為1064nm、脈衝能量為8 13J、光斑半徑為3 5mm對鈦合金表面進行雷射噴丸預處理，控制噴丸預處理工作溫度為160° C240V ； 其次，將由859T95%BC4粉末與5% 15%氧化鈰粉末混合的滲硼劑置於經雷射噴丸預處理後的鈦合金表面，在800° (T900°C進行3飛小時滲硼處理； 最後，將滲硼後的鈦合金冷卻至-150° (T-190° C，然後再進行低溫雷射噴丸強化即可。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵是所述的作為吸收層的鋁箔的厚度25 40微米。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵是所述的低溫雷射噴丸強化包括先在經過高溫滲硼處理後的鈦合金表貼上鋁箔，並用耐高壓玻璃作為約束層，一起置於液氮存儲槽中，降溫至-150° (T-190° C後，採用釹玻璃調Q雷射器，控制雷射脈衝寬度2(T30ns、波長是1064nm、脈衝能量為8 13J、光斑半徑為3 5mm進行雷射噴丸強化。
4.ー種基於雷射衝擊輔助的鈦合金表面低溫滲硼裝置，其特徵是包括 一雷射噴丸系統，該雷射噴丸系統主要由雷射器(I)和反射鏡(3)組成，它主要為高溫雷射噴丸和低溫雷射噴丸提供保障； 一高溫雷射噴丸系統，該高溫雷射噴丸系統主要由三維移動控制臺(13)、加熱平臺(8)、加熱系統(11)和計算機控制器(10)組成，所述的三維移動控制臺A (13)在工作檯控制器(20)的控制下由電動機(19)帶動移動定位於前述反射鏡(3)的下方，工作檯A (9)安裝在三維移動控制臺A (13)上，受控於工作檯控制器(20)，使得工作檯A (13)能在小範圍內運動，加熱平臺(8)安裝在工作檯A (9)上並受控於加熱系統(11)，加熱系統受控於計算機控制器(10)，鈦合金基體(6)安裝在加熱平臺(8)上，鋁箔吸收層(5)置於鈦合金基體(6)的表面，耐高壓玻璃(4)覆於鋁箔吸收層(5)之上； 一高溫滲硼裝置，它用於使經雷射噴丸預處理後的鈦合金在800° (T90(TC進行滲硼處理； 一低溫雷射噴丸系統，該低溫雷射噴丸系統包括三維移動控制臺B (21)、工作檯B(22),液氮存儲槽(18 )和液氮罐(17 )組成，三維移動控制臺B (21)工作時，由前述的工作檯控制器(20)控制，在電動機(19)的驅動下移動至前述三維移動控制臺A (13)的位置處即反射鏡(3)的下方，工作檯B (22)安裝在三維移動控制臺B上，受控於工作檯控制器(20)，使工作檯B (22)能在小範圍內運動，液氮存儲槽(18)安裝在工作檯B (22)上，液氮存儲槽(18)和液氮罐(17)通過液氮導流管(14)相連，流量控制閥(15)安置在液氮導流管(14)上並靠近液氮罐(17) —端，通過調節增壓閥(16)和流量控制閥(15)使得液氮通過液氮導流管(14)輸送到液氮存儲槽(18)裡，由經過高溫滲硼的鈦合金及覆蓋在鈦合金表面的鋁箔吸收層、耐高壓玻璃組成的待低溫強化組合體安裝在液氮存儲槽(18)中。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的加熱平臺上安裝有測量加熱溫度的溫度傳感器(7)。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的電動機(19)連接有電動機控制器(12)。
全文摘要
一種基於雷射噴丸輔助的鈦合金表面低溫滲硼方法與裝置，本裝置包括雷射噴丸強化系統、加熱系統、冷卻系統和工作檯。首先，對鈦合金在高溫160°C~240°C進行雷射噴丸強化，再將85%~95%BC4粉末與5%~15%氧化鈰粉末混合，預置在鈦合金表面，在800°C~900°C對鈦合金進行稀土共滲3~5個小時，最後，將滲硼後的鈦合金冷卻至-150°C~-190°C，然後再進行雷射衝擊強化。本發明降低了傳統工藝滲硼溫度，增加滲硼層的厚度，加強了滲硼層與鈦合金基體的結合強度，提高了鈦合金表面硬度以及耐磨損、疲勞壽命等性能。
文檔編號C23C8/68GK102776521SQ20121028204
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者周建忠, 孟憲凱, 季杏露, 安中偉, 左立黨, 楊晶, 王宏宇, 謝小江, 陳寒松, 黃舒 申請人:江蘇大學