一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法技术

本发明专利技术涉及一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其包括以下步骤：１）首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；２）用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，待干燥后在微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，自然干燥；３）用高能短脉冲激光冲击吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用Ｋ９玻璃或流水作为约束层；４）用丙酮浸泡处理后的微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。本发明专利技术综合了激光冲击强化、纳米颗粒强化及纳米颗粒增强的激光冲击强化作用，能显著提高轻金属表层的硬度、耐磨性和疲劳性能，有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种轻金属材料表面改性方法，特别是关于一种综合激光冲击效应和微纳米颗粒优异性能的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法。
技术介绍
目前，铝合金、钛合金和镁合金等轻金属材料是使用非常广泛的一类金属材料，其 拥有密度小、比强度高、易加工、较强耐腐蚀性和可循环使用等很多优良的性能，在航空航 天、汽车、电器设备、通讯器材和运动器材等领域有广泛的应用。轻金属材料的主要不足是 其表面硬度和耐磨性较差，从而在一定程度上限制了轻金属材料的应用范围。现有的轻金 属材料表面强化方法有喷丸强化、热喷涂、等离子喷涂、微弧氧化、激光合金化和激光熔覆 等等，这些方法大都涉及高温熔化过程，因此往往会引起轻金属表面的轻合金元素烧损、气 孔、裂纹等缺陷以及原有表面状态的变化。因此，发展一种针对轻金属表面强化的全新非熔 化方法具有重要意义和广阔的应用前景。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种综合激光冲击效应和微纳米颗粒优异性能的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其属于非熔化强化方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案1 、 一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其包括以下步骤1)首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；2)用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，所述微纳米颗涂层厚度为0. 1 lmm，待干燥后在所述微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，所述吸收层的厚度为0. 2 lmm，自然干燥；3)用高能短脉冲激光冲击所述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用K9玻璃或流水作为约束层；4)用丙酮浸泡处理后的所述微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除所述吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。 在进行激光冲击处理后，对轻金属表面的所述微纳米颗粒注入强化层进行后续热 处理。 在步骤3)中进行激光冲击时，采用单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲 击。 所述微纳米颗粒包括碳化钨、碳化钛、碳化硅和碳纳米管粉末，所述微纳米颗粒尺 度为1 100纳米或0. 1 100微米。 所述高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳的Nd:YAG 激光，激光焦斑直径为1 10毫米。 本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术基于高能短脉冲激光 所产生的GPa量级冲击波效应而将预置于轻金属表层的微纳米颗粒直接注入轻金属表层， 使得轻金属表层成分、结构变化从而获得优异性能，是一种全新的轻金属表面强化方法。2、由于本专利技术采用的激光冲击过程是一种非熔化过程，不会造成微纳米颗粒和轻金属基体的熔化，因此不存在熔化过程可能带来的轻元素烧损、气孔和裂纹等缺陷。3、本专利技术还可根据需要，采用轻金属热处理的标准规范，对轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化层进行后续热处理，能提高强化层的纳米颗粒分布均匀性和整体性能。4、经本专利技术方法处理后，微纳米颗粒将良好结合到轻金属表层并比较均匀地分布在激光处理区，微纳米颗粒注入强化层厚度可达5 ii m，激光冲击层厚度可达lmm ;基于激光冲击强化、微纳米颗粒强化及微纳米颗粒增强的激光冲击强化的综合强化作用，能显著提高轻金属表层的性能；轻金属表面经激光冲击微纳米颗粒注入强化后，表面硬度可提高2倍，耐磨性能可提高5倍以上。综上所述，本专利技术综合了激光冲击与微纳米颗粒的优异性能，可广泛用于铝合金、镁合金和钛合金等轻金属的表面强化，强化层不存在轻元素烧损、气孔和裂纹等缺陷，能显著提高轻金属表层的硬度、耐磨性和疲劳性能，在航空航天、汽车、能源、军工、电器设备、通讯器材和运动器材等领域有广阔的应用前景。附图说明 图1是本专利技术的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法示意图 图2是本专利技术的微纳米注入强化层中微纳米颗粒表面分布图 图3是本专利技术的微纳米注入强化层中微纳米颗粒截面分布图 图4是本专利技术的微纳米注入强化层的耐磨性能比较柱状图具体实施例方式本专利技术的基本原理是综合激光冲击效应和微纳米颗粒优异性能，利用高能短脉冲激光所产生的GPa量级冲击波将预先置于轻金属表面的微纳米颗粒直接注入轻金属表层，使轻金属表层材料的成分和结构发生变化，从而实现优异的表面性能。 其中，激光冲击是利用短脉冲(数十纳秒量级)、高能量(数十焦耳量级)的高能脉冲强激光(峰值功率达到GW量级/cm2)透过约束层(该层为透光介质)照射到吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速汽化，形成高压(> lGPa)、高温(> 10000K)的等离子体，等离子体膨胀爆炸，作用在金属的表面，并在金属内诱导出向金属内部传播的冲击波，当冲击波的峰值压强高于金属的动态屈服强度时，金属表面就会发生塑性变形，在金属表面形成密集的位错结构，并在一定的深度范围(约为l毫米)内引入残余压应力，从而可以提高金属材料的硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能和抗微动疲劳性能。激光冲击已应用于飞机发动机叶片的强化，能明显提高叶片的疲劳寿命。 微纳米材料具备小尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应以及特殊的光学、磁学、热学、力学和化学性质，具有广泛的应用发展潜力。微纳米粉末已经越来越多地应用于材料加工技术中，在传统的材料加工工艺中使用微纳米材料通常能够有效提高加工性能。但微纳米粉末由于比表面能高，熔点相对于宏观尺寸的材料较低，在涉及高温的加工过程中很容易熔化，凝固后往往失去大部分纳米性能。 下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。 如图1所示，本专利技术的轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法包括以下步骤 1、首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属(如铝合金、钛合金或镁合金等) 表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表 面； 2、用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，微纳米颗涂层厚度为0. 1 lmm，待干燥后在微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，吸收层的厚度为 0. 2 lmm，自然干燥； 3、用高能短脉冲激光冲击上述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用K9玻璃或 流水作为约束层；激光冲击时可以单点冲击、多点分布冲击或多点搭接大面积冲击； 4、用丙酮浸泡处理后的微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除吸收层后 得到微纳米颗粒注入强化层； 5、根据需要采用轻金属热处理的标准规范，对进行激光冲击处理后轻金属表面的 微纳米颗粒注入强化层进行后续热处理，以提高微纳米颗粒注入强化层的微纳米颗粒分布 均匀性和整体性能。 上述述方法中，微纳米颗粒包括碳化鸨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)等碳化 物颗粒和碳纳米管粉末等非碳化物颗粒，微纳米颗粒尺度为1 100纳米或0. 1 100微米。 上述述方法中，高能短脉冲激光为脉宽1 100毫秒、单脉冲能量为1 100焦耳 的Nd:YAG激光(掺钕钇铝石榴石激光)，激光焦斑直径为1 10毫米。 下面通过三个实施例来具体说明本专利技术的内容。 实施例1 :铝合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化方法 铝合金有非常广泛的应用，但常用熔化强化方法可能导致轻元素烧损和裂纹等缺陷，本专利技术方法实施于铝合金表面激光冲击纳米颗粒注入强化，其包括以下步骤 (1)首先用机械打本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，其包括以下步骤：　　１）首先用机械打磨或化学腐蚀方法去除轻金属表面可能存在的氧化层，然后再用砂纸打磨抛光，最后用丙酮或酒精清洗轻金属合金表面；　　２）用无机粘结剂将微纳米颗粒预涂到轻金属表面，所述微纳米颗涂层厚度为０．１～１ｍｍ，待干燥后在所述微纳米颗涂层表面再涂一层黑漆作为激光冲击的吸收层，所述吸收层的厚度为０．２～１ｍｍ，自然干燥；　　３）用高能短脉冲激光冲击所述吸收层和微纳米颗涂层，激光冲击时用Ｋ９玻璃或流水作为约束层；４）用丙酮浸泡处理后的所述微纳米颗涂层，然后用流水冲洗或超声清洗去除所述吸收层后得到微纳米颗粒注入强化层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏霖，朱仁杰，吕亮，张红军，刘文今，马明星，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]