以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法技术

本发明专利技术提供了一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法，其特征是采用连续激光束透过约束层扫描预置在待改性材料表面的由具有诱发激光冲击波效应的粘结剂和待熔注微细颗粒混合组成的复合预置层，通过合理匹配粘结剂、待改性材料和待熔注微细颗粒的熔点和沸点等参数，实现了在连续激光作用诱导下粘结剂气化形成激光冲击波将待熔注微细颗粒注入待改性材料表面熔池中，从而原位形成微细颗粒增强的复合材料层。采用本发明专利技术方法在待改性材料表面所获得复合材料层中微细颗粒与待改性材料实现了冶金结合，打破了现有技术难以熔注微细颗粒的技术壁垒；同时，其注入深度较深、组织细小、增强颗粒分布均匀且不受待改性材料塑性限制。

A method for continuous laser shock melt injection of fine particles with laser impact energy

The present invention provides a method for realizing continuous laser melt injection of fine particles into the impact force to the laser impact formation is characterized by continuous laser beam through the constrained layer scanning preset in the surface of the material to be modified by the composite layer with preset laser shock wave effect induced by binder and mixture of fine particles melt injection by reasonable matching, binder, to be modified to melt injection materials and fine particles melting and boiling points and other parameters, realizes in continuous laser induced gasification binder forming laser shock wave will be melt injection of fine particles into the surface of materials in molten pool, which formed in situ composite micro particles reinforced layer. The method of the present invention to the surface of materials obtained by fine particles in the composite layer and the metallurgical bonding of modified materials, breaking the existing technology is difficult to melt injection technical barriers to fine particles; at the same time, the injection depth is deeper, finer particles, uniform distribution and not subject to modification of plastic materials restriction.

【技术实现步骤摘要】
以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法
本专利技术属于激光表面处理
，涉及一种激光熔注增强颗粒方法，具体地说是一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法。
技术介绍
激光熔注颗粒增强技术，是一种先进的激光表面处理技术。其基本原理是：激光熔注过程中，高功率密度的激光束在金属表面形成熔池，同时将增强颗粒直接注入到熔池中，在熔池快速冷却过程中，注入颗粒来不及熔化而被“冻结”，从而在金属表面原位形成颗粒增强的金属基复合材料层。激光熔注过程与送粉式激光熔覆在工艺上极为相似，两者之间最大的区别在于加热对象不同，激光熔覆的主要加热对象是涂层粉末，而激光熔注的主要加热对象是基体表面。由于将增强颗粒直接注入到基体表面产生的熔池中，激光熔注制备的复合材料层与基体之间化学成分呈平缓梯度过渡，解决了激光熔覆由于熔覆层与基体之间化学成分存在较大梯度而导致熔覆层始终存在结合强度较差等问题。然而，粒径小于10μm的微细粉体极易团聚，当微细粉体发生团聚后使得其很多优异的改性特性消失，同时受微细粉体流动性较差导致粉体难以输送的限制，目前激光熔注颗粒增强技术仅限于熔注粒径较大的颗粒，其粒径范围一般为70-150μm。众所周知，若增强颗粒为微细颗粒时，其不仅具有第二相强化、弥散强化等常规意义上的颗粒增强效果，而且还会引入细晶强化以及微细颗粒所具有的小尺寸效应等，故以微细颗粒作为增强颗粒的激光表面处理技术的研究一直是一个热点研究问题。例如，清华大学钟敏霖等提出了一种轻合金表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法(公开号为CN101736214A)，其利用高能短脉冲激光作用在吸收层如黑漆上形成高压冲击波，进而将预置在轻合金表面的微纳米颗粒注入材料表面，这里的颗粒注入其实质是颗粒植入，属于一种非熔化颗粒增强方法；这一方法存在着植入材料表面的颗粒覆盖率较小、注入深度较浅且所植入的颗粒与基体间的结合是一种机械结合，极易从表层脱落等不足，而且其主要适应于塑性较好的轻合金材料。再如，崔承云等公开了一种激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法，其技术方案的核心要点是：首先利用激光辐照浸涂有纳米陶瓷颗粒的金属基体表面至熔化状态使纳米陶瓷颗粒以半嵌入状态存在于基体表面，然后再通过纳秒脉冲激光诱导冲击波进行激光冲击从而使纳米颗粒完全嵌入表面(公开号为CN103103523A)；这一方法中结合了激光的热力两方面作用使得适于改性的材料不再局限于轻合金，然而其所嵌入基体表面的纳米陶瓷颗粒仍以机械结合的方式存在，同时从其名称就可以看出其改性层深度很浅。可见，目前尚未有一种激光熔注微细颗粒的方法可供使用，极大地制约了微细颗粒这一具有优良改性特点的增强材料在激光熔注颗粒增强
中的应用。
技术实现思路
针对现有激光熔注颗粒增强技术难以实现微细颗粒熔注，进而制约了微细颗粒这一具有优良改性特点的增强材料在激光熔注颗粒增强
中应用的问题，本专利技术提供了一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法。本专利技术的技术方案是：一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法，其特征在于：首先，在待改性材料表面预置由具有诱发激光冲击波效应的粘结剂和待熔注微细颗粒混合组成的复合预置层；所述复合预置层中粘结剂、待熔注微细颗粒及待改性材料三者满足以下条件：粘结剂的熔点<待改性材料的熔点<待熔注微细颗粒的熔点，且粘结剂的沸点不大于待改性材料的熔点；然后，采用连续激光束透过约束层扫描预置在待改性材料表面的复合预置层，当激光束透过约束层扫描复合预置层时，复合预置层中的粘结剂先熔化，此时激光束作用区域待改性材料表面和待熔注微细颗粒温度升高，接着复合预置层中的粘结剂气化，随后激光束作用区域的待改性材料表面形成熔池，与此同时气化后的粘结剂在激光诱导作用下形成等离子体，等离子体吸收激光能量后爆炸形成激光冲击波，在激光冲击波的作用下仍保持固态的待熔注微细颗粒被注入待改性材料表面熔池中，从而在待改性材料表面原位形成微细颗粒增强的复合材料层。进一步地，所述具有诱发激光冲击波效应的粘结剂是无机粘结剂或有机粘结剂；所述待熔注微细颗粒的粒径小于10μm。进一步地，待熔注微细颗粒的粒径100nm-5μm。进一步地，所述连续激光束发生器为光纤激光器、固体激光器、CO2气体激光器中的一种；所述约束层为石英玻璃、K9玻璃或经镀膜处理后的石英玻璃。进一步地，待改性材料为金属材料，粘结剂为无机盐类粘结剂。进一步地，所述连续激光束在熔注微细颗粒的过程中，其焦点位置应处于复合预置层中或位于复合预置层与待改性材料交界面上。进一步地，所述复合预置层的制备方法包括如下步骤：首先，将粘结剂溶解或混合在水和乙醇的混合溶液中；然后，加入待熔注微细颗粒并将其制成分散均匀的微细颗粒浆料；接着，将制备成的微细颗粒浆料涂覆在待改性材料表面上；最后，将已涂覆微细颗粒浆料的待改性材料进行烘干处理。进一步地，所制备预置层厚度小于1mm。进一步地，所制备预置层厚度为0.3mm-0.7mm。本专利技术的有益效果：本专利技术所述方法将激光熔注、激光熔覆和激光冲击三种激光先进制造技术有机融合在一起，通过合理匹配粘结剂、待改性材料和待熔注微细颗粒的熔点和沸点等热物性参数，以激光冲击功形成注入力实现了激光熔注微细颗粒，打破了现有技术难以熔注微细颗粒的技术壁垒。本专利技术所述方法微细颗粒注入力的阈值仅为待改性材料熔池表面张力，不仅使得采用连续激光诱发的冲击功即可实现微细颗粒的注入，而且微细颗粒的注入深度较深，且采用合适的激光工艺参数下注入的微细颗粒在待改性材料表面所获得复合材料层中分布均匀。采用本专利技术所述方法在待改性材料表面所获得复合材料层中的微细颗粒与待改性材料实现了冶金结合，较好地避免了目前激光冲击注入微细颗粒或植入微细颗粒以机械结合方式存在所导致微细颗粒容易脱落、诱发微裂纹造成应力集中等问题。本专利技术所述方法对待改性材料适应性强，突破了目前激光冲击注入或植入微细颗粒主要适应于塑性好的轻合金材料的局限性，其不仅适合于塑性好的轻合金材料，也适合于硬度较高的钢铁材料，还可以对硬脆涂层实现表面改性进而原位制备复合多功能表面。附图说明图1是本专利技术所述连续激光冲击熔注微细颗粒的方法的基本原理示意图。图2是本专利技术实施例所述激光冲击熔注改性后铝硅涂层横截面低倍SEM形貌图。图3是本专利技术对比例所述激光表面改性后铝硅涂层横截面低倍SEM形貌图。图4是本专利技术实施例所述铝硅涂层激光冲击熔注改性层高倍SEM形貌图。图5是本专利技术对比例所述铝硅涂层激光表面重熔改性层高倍SEM形貌图。图6是本专利技术实施例所述铝硅涂层激光冲击熔注改性层中晶界上颗粒物的EDS能谱。图7是本专利技术对比例所述铝硅涂层激光表面重熔改性层中晶界上颗粒物的EDS能谱。图中：1-激光头，2-激光束，3-约束层，4-复合预置层，5-待改性材料，6-粘结剂，7-待熔注微细颗粒。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1所示，本专利技术所述的以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法，采用连续激光束透过约束层扫描预置在待改性材料表面且由具有诱发激光冲击波效应的粘结剂和待熔注微细颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法，其特征在于：首先，在待改性材料表面预置由具有诱发激光冲击波效应的粘结剂和待熔注微细颗粒混合组成的复合预置层；所述复合预置层中粘结剂、待熔注微细颗粒及待改性材料三者满足以下条件：粘结剂的熔点<待改性材料的熔点<待熔注微细颗粒的熔点，且粘结剂的沸点不大于待改性材料的熔点；然后，采用连续激光束透过约束层扫描预置在待改性材料表面的复合预置层，当激光束透过约束层扫描复合预置层时，复合预置层中的粘结剂先熔化，此时激光束作用区域待改性材料表面和待熔注微细颗粒温度升高，接着复合预置层中的粘结剂气化，随后激光束作用区域的待改性材料表面形成熔池，与此同时气化后的粘结剂在激光诱导作用下形成等离子体，等离子体吸收激光能量后爆炸形成激光冲击波，在激光冲击波的作用下仍保持固态的待熔注微细颗粒被注入待改性材料表面熔池中，从而在待改性材料表面原位形成微细颗粒增强的复合材料层。

【技术特征摘要】
1.一种以激光冲击功形成注入力实现连续激光冲击熔注微细颗粒的方法，其特征在于：首先，在待改性材料表面预置由具有诱发激光冲击波效应的粘结剂和待熔注微细颗粒混合组成的复合预置层；所述复合预置层中粘结剂、待熔注微细颗粒及待改性材料三者满足以下条件：粘结剂的熔点&lt;待改性材料的熔点&lt;待熔注微细颗粒的熔点，且粘结剂的沸点不大于待改性材料的熔点；然后，采用连续激光束透过约束层扫描预置在待改性材料表面的复合预置层，当激光束透过约束层扫描复合预置层时，复合预置层中的粘结剂先熔化，此时激光束作用区域待改性材料表面和待熔注微细颗粒温度升高，接着复合预置层中的粘结剂气化，随后激光束作用区域的待改性材料表面形成熔池，与此同时气化后的粘结剂在激光诱导作用下形成等离子体，等离子体吸收激光能量后爆炸形成激光冲击波，在激光冲击波的作用下仍保持固态的待熔注微细颗粒被注入待改性材料表面熔池中，从而在待改性材料表面原位形成微细颗粒增强的复合材料层。2.根据权利要求1所述的连续激光冲击熔注微细颗粒方法，其特征在于：所述具有诱发激光冲击波效应的粘结剂是无机粘结剂或有机粘结剂；所述待熔注微细颗粒的粒径小于10μm。3.根据权利要求1所述的连续激光冲击熔注微...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏宇，赵前，袁晓明，汪涵，张祥，吴勃，胥保文，刘桂玲，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32