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一种获得耐磨耐蚀钛 合金 工件的激光组合加工工艺

阅读：911发布：2024-01-10

专利汇可以提供一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及激光加工与材料学领域，特指一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺。首先对钛合金基体进行预加热，预加热温度低于钛合金相变温度，然后使用二氧化碳激光器对钛合金构件表面进行搭接扫描，之后立即在激光辐射区域喷射纳米级 (150‑300nm)合金粉末，冷却后对试样表面打磨抛光，然后再采用室温激光冲击，提高钛合金耐磨耐腐蚀性。，下面是一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺，其特征在于：对钛合金基体预加热后，用激光器对钛合金表面进行搭接扫描，扫描过程中采用氩气保护熔池，之后在激光辐射区域喷射纳米级合金粉末，合金粉末的成分配比为：Al 55％，Ti 30％，Fe 7％，B 8％；
凝固后形成新的合金硬化层，从而提高钛合金的表面耐磨耐腐蚀性，之后对试样打磨抛光后进行激光冲击强化处理，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力，具体步骤如下：
步骤一，将待处理钛合金试样放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍；
步骤二，将钛合金基体放入箱式电阻炉中进行预加热，加热温度低于钛合金的相变温度，预加热温度为750-950℃，对钛合金试样进行预加热的目的是为了减小温度梯度，改善激光熔凝后残余应力分布，从而提高喷射效果；
步骤三，取出加热到指定温度的钛合金试样并将试样安装在激光冲击装置加载平台上，将激光束光斑中心与基体待冲击表面左上角重合，作为冲击强化处理起始位置，并使待冲击区域X轴和Y轴方向与加载平台的X轴和Y轴方向一致；
步骤四，打开激光器，对钛合金试样表面进行搭接扫描，扫描过程中采用氩气保护熔池；
步骤五，当激光束加热金属表面后，通过粉末加料器喷嘴装置立即在激光辐射区域喷射纳米级合金粉末，合金粉末注入熔池的方向与激光束方向的夹角为35°，将合金粉末注入钛合金基体表层后，熔化的基体材料和添加的合金粉末由于激光熔池的运动而得到混合，凝固后形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新的合金硬化层，由于所使用的是纳米级合金粉末粒子，这些硬质粒子将镶嵌在合金化的基体中，从而使钛合金表面的耐磨耐腐蚀性获得提高；
步骤六，对钛合金表面打磨抛光后，采用铝箔作为吸收层进行激光冲击强化，金属表面吸收激光能量蒸发，产生高压冲击波，使其表面产生严重塑性变形，细化表层晶粒，并在冲击区域诱导出高额残余压应力，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力；
步骤七，对钛合金进行金相检测，并对表层作耐磨耐腐蚀测试。
2.如权利要求1所述的一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺，其特征在于，纳米级合金粉末的粒径为150～300nm，喷射合金粉末的初速度为15-30mm/s，喷嘴与熔池的距离为8-10mm，粉末进料速率为70-160mg/s。
3.如权利要求1所述的一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺，其特征在于，激光器为二氧化碳激光器，工作参数为：激光功率密度为255-455W/mm2，扫描速度为
0.2-1.0m/min，光斑直径为3mm；设定行间和列间光斑搭接率为20％。
4.如权利要求1所述的一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺，其特征在于，激光冲击强化的工作参数为：扫描功率为1.5-2.2kW，光斑直径为3mm，扫描速度为150-
250mm/min，搭接率为50％。

说明书全文

一种获得耐磨耐蚀钛 合金 工件的激光组合加工工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工与材料学领域，特指一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺。首先对钛合金基体进行预加热，预加热温度低于钛合金相变温度，然后使用二氧化碳激光器对钛合金构件表面进行搭接扫描，之后立即在激光辐射区域喷射纳米级(150-300nm)合金粉末，冷却后对试样表面打磨抛光，然后再采用室温激光冲击，提高钛合金耐磨耐腐蚀性。

背景技术

[0002] 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，主要应用有发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件，是一种常用的结构材料，然而其本身硬度低和耐磨耐腐蚀性差等弱点在很大程度上限制了钛合金性能的发挥，，使其应用受到较大制约。

[0003] 为了改善钛合金的性能，传统的表面强化方法一般采用金属表面镀层，使其强度、硬度、耐磨性得到改善，但传统的金属表面强化方法获得的强化层较薄，且强化层与基体之间的结合强度低，容易剥落，不能达到预期效果。

[0004] 近年来，激光表面处理方法日趋成熟，使用激光合金化的方法对钛合金进行表面强化是解决钛合金耐磨、耐腐蚀性差、易变形等问题的有效方法之一，而且能够克服传统方法的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种新的钛合金表面激光加工工艺，其特征在于：对钛合金基体预加热后，用激光器对钛合金表面进行搭接扫描，扫描过程中采用氩气保护熔池，之后在激光辐射区域喷射纳米级(150-300nm)合金粉末，凝固后形成新的合金硬化层，从而提高钛合金的表面耐磨耐腐蚀性，之后对试样打磨抛光后进行激光冲击强化处理，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力。

[0006] 具体步骤如下：

[0007] 步骤一，将待处理钛合金试样放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍；

[0008] 步骤二，将钛合金基体放入箱式电阻炉中进行预加热，加热温度低于钛合金的相变温度，根据钛合金的相变温度设定加热温度为750-950℃，对钛合金试样进行预加热的目的是为了减小温度梯度，改善激光熔凝后残余应力分布，从而提高喷射效果；

[0009] 步骤三，取出加热到指定温度的钛合金试样并将试样安装在激光冲击装置加载平台上，将激光束光斑中心与基体待冲击表面左上角重合，作为冲击强化处理起始位置，并使待冲击区域X轴和Y轴方向与加载平台的X轴和Y轴方向一致；

[0010] 步骤四，打开激光器，对钛合金试样表面进行搭接扫描，扫描过程中采用氩气保护熔池；

[0011] 步骤五，当激光束加热金属表面后，通过粉末加料器喷嘴装置立即在激光辐射区域喷射纳米级(150～300nm)合金粉末，所述合金粉末的成分配比为：Al 55％，Ti 30％，Fe 7％，B 8％，混合均匀，喷射合金粉末的初速度为15-30mm/s，合金粉末注入熔池的方向与激光束方向的夹角为35°，喷嘴与熔池的距离为8-10mm，粉末进料速率为70-160mg/s，将合金粉末注入钛合金基体表层后，熔化的基体材料和添加的合金粉末由于激光熔池的运动而得到混合，凝固后形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新的合金硬化层，由于所使用的是纳米级(150-300nm)合金粉末粒子，这些硬质粒子将镶嵌在合金化的基体中，从而使钛合金表面的耐磨耐腐蚀性获得提高；

[0012] 步骤六，对钛合金表面打磨抛光后，采用铝箔作为吸收层进行激光冲击强化，金属表面吸收激光能量蒸发，产生高压冲击波，使其表面产生严重塑性变形，细化表层晶粒，并在冲击区域诱导出高额残余压应力，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力。

[0013] 步骤七，对钛合金进行金相检测，并对表层作耐磨耐腐蚀测试。

[0014] 所述步骤四中，激光器为二氧化碳激光器，工作参数为：激光功率密度为255-2
455W/mm，扫描速度为0.2-1.0m/min，光斑直径为3mm；设定行间和列间光斑搭接率为20％。

[0015] 所述步骤六中激光冲击强化的工作参数为：扫描功率为1.5-2.2kW，光斑直径为3mm，扫描速度为150-250mm/min，搭接率为50％。

[0016] 所述步骤六中对钛合金试样打磨抛光是为了保证钛合金试样表面的平整性，提高激光冲击强化效率。

[0017] 本发明的技术效果：本发明先对钛合金基体预加热，加热温度低于钛合金相变温度，在钛合金不发生相变的情况下减小温度梯度，消除残余应力，稳定内部组织和尺寸，提高喷射效果，然后用二氧化碳激光器对钛合金表面进行搭接扫描，之后立即在激光辐射区域喷射纳米级(150-300nm)合金粉末，凝固后形成新的合金硬化层，提高钛合金的表面耐磨耐腐蚀性，最后稍加打磨抛光后进行激光冲击强化处理，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力。附图说明

[0018] 图1为本发明激光冲击强化装置示意图。

[0019] 图2为本发明激光组合加工工艺后金属构件表层微观组织图，(a)为本发明激光组合加工工艺前金属表面微观组织，(b)为本发明激光组合加工后金属表面微观组织。

[0020] 图中：1.激光器，2.激光器控制装置，3.激光束，4.粉末加料器，5.试样，6.加载平台，7.保护气体出口，8.粉末出口。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0022] 本发明使用激光加工工艺，先对基体进行预加热，然后用二氧化碳激光器对钛合金表面进行搭接扫描，扫描过程中采用氩气保护熔池，向激光辐射区域喷射纳米级(150-300nm)合金粉末，凝固后形成新的合金硬化层，提高钛合金的表面耐磨耐腐蚀性，然后稍加打磨抛光后进行激光冲击强化处理，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力。

[0023] 实施例：

[0024] 选取Ti-6AL-4V作为研究对象，将Ti-6AL-4V制成50mm×50mm×6mm的块状试样，将待处理试样放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍。

[0025] 将Ti-6AL-4V试样放入箱式电阻炉SX2 10 12中进行预加热(Ti-6Al-4V的相变温度为998℃)，设定加热温度为900℃。

[0026] 取出加热到900℃的Ti-6AL-4V试样并将其安装在激光冲击装置加载平台6上，将激光束光斑中心与基体待冲击表面左上角重合，作为冲击强化处理起始位置，并使待冲击区域X轴和Y轴方向与加载平台的X轴和Y轴方向一致。

[0027] 通过激光器控制装置2设定连续DL HL T5000二氧化碳激光器的输出功率和光斑参数：激光功率密度为255-455W/mm2，扫描速度为0.2-1.0m/min，光斑直径为3mm，设置粉末加料器粉末进料速率为70-160mg/s，打开激光器1，对Ti-6AL-4V试样表面进行搭接扫描，设定行间和列间光斑搭接率为20％，扫描过程中采用氩气保护熔池。

[0028] 当激光束加热试样表面后，采用PEL 1A粉末加料器喷嘴装置4立即在激光辐射区域喷射纳米级(150～300nm)合金粉末，所述合金粉末的成分配比为：Al 55％，Ti 30％，Fe 7％，B 8％，混合均匀，其中通过调节粉末加料器的喷嘴中心轴以使合金粉末注入到金属熔池的准确位置，喷射合金粉末的初速度为15-30mm/s，合金粉末注入熔池的方向与激光束方向的夹角为35°，喷嘴与熔池的距离为8-10mm，粉末进料速率为70-160mg/s，将合金粉末注入试样表层后，熔化的基体材料和添加的合金材料由于激光熔池的运动而得到混合，凝固后形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新的合金硬化层，由于所使用的是纳米级(150-300nm)合金粉末粒子，这些硬质粒子将镶嵌在合金化的基体中，从而使钛合金表面的耐磨耐腐蚀性获得提高；

[0029] 对Ti-6AL-4V试样表面打磨抛光后，采用0.12mm厚的铝箔作为吸收层进行激光冲击强化，进一步提高钛合金构件的抗腐蚀能力，激光冲击强化的工作参数为：扫描功率为1.5-2.2kW，光斑直径为3mm，扫描速度为150-250mm/min，搭接率为50％。

[0030] 对Ti-6AL-4V试样进行金相检测。如图2所示，对比分析本发明激光组合加工前后钛合金表面微观组织，可以观察到加工前钛合金表层微观组织存在大量气孔和夹杂，晶粒粗大，而激光组合加工后钛合金表面微观组织均匀细小致密，消除了裂纹、夹杂和气孔等缺陷，熔敷层与基体结合强度高，晶粒得到细化，耐磨耐蚀性能得到提高。

[0031] 本实施例在Ti-6AL-4V试样表面形成一种新的合金硬化层，之后又进行激光冲击强化，对表层作耐磨耐腐蚀测试后，发现激光组合加工后试样耐磨性提升了40％，耐腐蚀性提升了33％。

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