一种是铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法 |
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申请号 | CN202311495121.3 | 申请日 | 2023-11-10 | 公开(公告)号 | CN117364006A | 公开(公告)日 | 2024-01-09 |
申请人 | 中国航发北京航空材料研究院; | 发明人 | 王强; 王一鸣; 王欣; 宋颖刚; 罗学坤; 许春玲; | ||||
摘要 | 本 发明 属于金属零件表层改性技术领域,涉及一种是 铸造 态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法。本发明利用高能、高频脉冲激光诱导产生的等离子爆炸冲击波,室温下冲击波作用在铸造材料表面产生 锻造 作用,铸造表层材料的铸造 缺陷 被弥合、铸造粗晶组织细化,铸造材料在微锻作用下疲劳性能得到大幅度提高。本发明使用高频激光脉冲在铸造态材料表面形成冲击微坑,通过调整激光参数获得一定尺寸、并按规则形成阵列的微坑,可在室温下对铸造态材料进行锻造,有效提高铸造态材料疲劳性能。本方法可在室温下,进行材料表层改性,实施便捷,对材料无热影响;可有效消除铸造态材料表层的气孔、缩松等缺陷,进而提高其性能;冲击微坑尺寸和排列可精确控制,具有控制 精度 高的优势。 | ||||||
权利要求 | 1.一种铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种是铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法技术领域[0001] 本发明属于金属零件表层改性技术领域,涉及一种是铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法。 背景技术[0002] 自上世纪80年代中期以来,大型、薄壁、复杂、整体、精密铸件制造已成为国外航空、航天飞行器用的钛合金、铝合金和高温何晶晶结构件制造技术的发展趋势,这类铸件整体结构性好,可靠性高,重量轻,加工成本低,在航空航天领域内的应用越来越广泛。由于铸造工艺复杂,影响因素多,因而铸件内部易产生缩松、缩孔及气孔等缺陷,这些缺陷会影响铸件性能,成为铸件失效的隐患。目前航空用铸件广泛采用热等静压技术(HIP),通过热等静压过程中的高温、高压可使钛合金铸件内部的封闭气孔、缩松被压实闭合,并扩散结合成致密的组织,HIP技术对弥合表面缺陷的作用较弱,因此,与锻造材料相比,铸造材料的性能仍然存在一定差距。随着先进飞行器设计寿命和可靠性要求的不断提高,当铸件应用于飞机关键承力构件时,其自身性能与飞机整体设计指标相比仍存在差距,需要采用合适的工艺技术进一步提高其力学性能。此外,对于焊接结构、增材制造零件,由于其组织结构与铸造零件类似,其表层也存在缩松、缩孔及气孔等缺陷,因此,也可以采用本方法提高零件性能。 [0003] 本发明使用高能固体激光器激发高频脉冲激光,脉冲激光在铸造材料表面诱导产生等离子爆炸,等离子爆炸波在水层约束下能量逐步增大并超过材料动态屈服极限,使得铸造材料表层发生塑性变形,在材料表面形成冲击微坑,铸造材料表层获得室温微锻作用。 [0005] 高频激光脉冲室温微锻方法可应用于铸造零件、增材制造零件和零件的焊接结构,具有较好的应用前景。 发明内容[0006] 本发明利用高能、高频脉冲激光诱导产生的等离子爆炸冲击波,冲击波在室温下作用在铸造材料表面产生微锻造作用,铸造表层材料的铸造缺陷被弥合、铸造粗晶组织细化,铸造材料在微锻作用下疲劳性能得到大幅度提高。 [0007] 本发明的技术方案:一种铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法,包括以下步骤: [0010] 3)脉冲激光作用在材料表面形成冲击微坑,微坑直径不大于Ф1mm,单次冲击微坑深度为5±1μm; [0011] 4)脉冲激光作用在铸造材料表面形成冲击微坑,微坑直径不大于Ф1mm,单次冲击微坑深度为5±1μm,同一位置冲击次数为5~8次,微坑深度累计不小于10μm; [0012] 5)微锻后,去除材料表面形成一层烧蚀层。 [0013] 所述高频激光微锻设备为YAG高能固体激光器,高频固体激光器生产的脉冲激光经聚焦后作用在待处理的材料表面。 [0014] 所述步骤1)选择脉冲能量和聚焦光斑直径是根据所需的单次冲击微坑深度。 [0015] 所述步骤3)本方法在室温下实施,不需要对零件进行加热。 [0016] 所述步骤4)脉冲激光逐点冲击铸造材料表面,在铸造表面形成微坑阵列。 [0017] 所述步骤4)微坑阵列的每个微坑与相邻微坑圆心距等于微坑直径。 [0019] 抛光或研磨加工去除量小于2μm。 [0020] 微锻前零件表面为原始铸造表面、吹砂表面或机械加工表面。 [0022] 本发明的有益效果:本发明利用高能、高频脉冲激光诱导产生的等离子爆炸冲击波,室温下冲击波作用在铸造材料表面产生锻造作用,铸造表层材料的铸造缺陷被弥合、铸造粗晶组织细化,铸造材料在微锻作用下疲劳性能得到大幅度提高。本发明使用高频激光脉冲在铸造态材料表面形成冲击微坑,通过调整激光参数获得一定尺寸、并按规则形成阵列的微坑,可在室温下对铸造态材料进行锻造,有效提高铸造态材料疲劳性能。本方法可在室温下,进行材料表层改性,实施便捷,对材料无热影响;采用本方法,可有效消除铸造态材料表层的气孔、缩松等缺陷,进而提高其性能;本方法中,冲击微坑尺寸和排列可精确控制,具有控制精度高的优势。 具体实施方式[0023] 以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述: [0024] 一种是铸造态金属材料的高频激光脉冲室温微锻方法,包括以下步骤: [0025] 1.零件的准备 [0026] 零件可为原始铸造表面、吹砂表面或机械加工表面,零件表面应使用酒精、丙酮或其他合适的清洗剂彻底清理,确保表面无附着物和油污。 [0027] 2.高频激光微锻设备 [0029] (2)脉冲激光以去离子水为介质进行传导,去离子水的电导率大于15MΩ.cm[0030] 3.微锻参数确定 [0031] (1)使用与待处理零件相同的材料加工平板试样,试样表面抛光处理,表面粗糙度值Ra小于0.2μm; [0032] (2)调整脉冲激光能量、光斑直径等参数冲击平板试样,使用白光干涉仪或同类型的光学三维轮廓设备,检测微坑深度,确定单次冲击微坑深度5±1μm时的脉冲激光能量、光斑直径和微坑直径; [0033] (3)调整冲击次数冲击平板试样,使用白光干涉仪或同类型的光学三维轮廓设备,检测多次冲击后微坑累积深度,确定微坑深度累计超过10μm所需的冲击次数; [0034] 4.零件的微锻处理 [0035] (1)使用确定的设备参数,包括脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸和频率。 [0036] (2)零件装夹固定后,将激光冲击头移动到起始位置开始冲击,连续冲击所需次数后,激光头平移距离等于1个微坑直径再次冲击,以此类推,对大面积区域进行微锻处理。 [0037] 5.零件的微锻后加工 [0038] 零件微锻后,表面有烧蚀层,应使用抛光或研磨加工去除该烧蚀层直至露出金属光泽,抛光或研磨材料去除量应小于2μm。 [0039] 实施案例一: [0040] 采用本发明技术方案对铸造高温合金K4169材料进行表面微锻处理。 [0041] 具体步骤如下: [0042] 1.零件的准备 [0043] 材料为机械加工表面,使用工业酒精清理表面,确保表面无附着物和油污。 [0044] 2.高频激光设备参数确定 [0045] 根据材料的特点,确定高频激光设备的参数见表1。 [0046] 表1K4169高频激光微锻的设备参数 [0047] [0048] 3.微锻参数确定 [0049] (1)使用K4169材料加工平板试样,试样表面抛光处理,表面粗糙度值Ra小于0.2μm; [0050] (2)使用表1的参数,光斑尺寸选择为Ф0.6mm,分别使用50mj、60mj、70mj、80mj、90mj、100mj能量冲击平板试样,使用白光干涉仪,检测单次冲击微坑深度,结果表明脉冲能量80mj时微坑深度为5.21μm,微坑直径为Ф0.43mm,满足微坑深度5±1μm的要求,确定脉冲能量为80mj。 [0051] (3)在平板试样上,使用80mj能量,在不同位置分别进行冲击,冲击次数分别为2次、5次、6次、7次、8次,使用白光干涉仪,检测不同冲击次数下微坑累积深度,结果表明冲击次数为6次时,累积微坑深度为11.89μm,满足微坑深度超过10μm的要求,确定冲击次数为6次。 [0052] 4.零件的微锻处理 [0053] (1)使用确定的设备参数(表2),包括脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸和频率。 [0054] 表2K4169激高频激光微锻的设备参数 [0055] [0056] (2)零件装夹固定后,将激光冲击头移动到起始位置开始冲击,连续冲击所需次数后,激光头平移0.43mm再次冲击,以此类推,对大面积区域进行微锻处理。 [0057] 5.零件的微锻后加工 [0058] 微锻后,采用研磨方式对零件表面进行后处理,研磨材料去除量应小于2μm。 [0059] 实施案例二: [0060] 采用本发明技术方案对铸造钛合金ZTC4材料进行表面微锻处理。 [0061] 具体步骤如下: [0062] 1.零件的准备 [0063] 材料为原始铸造表面,使用工业酒精清理表面,确保表面无附着物和油污。 [0064] 2.高频激光设备参数确定 [0065] 根据材料的特点,确定高频激光设备的参数见表3。 [0066] 表3ZTC4钛合金高频激光微锻的设备参数 [0067] [0068] 3.微锻参数确定 [0069] (1)使用ZTC4钛合金材料加工平板试样,试样表面抛光处理,表面粗糙度值Ra小于0.2μm; [0070] (2)使用表3的参数,光斑尺寸选择为Ф0.5mm,分别使用50mj、60mj、70mj、80mj、90mj、100mj能量冲击平板试样,使用白光干涉仪,检测单次冲击微坑深度,结果表明脉冲能量60mj时微坑深度为5.08μm,微坑直径为Ф0.42mm,满足微坑深度5±1μm的要求,确定脉冲能量为60mj。 [0071] (3)在平板试样上,使用60mj能量,在不同位置分别进行冲击,冲击次数分别为2次、5次、6次、7次、8次,使用白光干涉仪,检测不同冲击次数下微坑累积深度,结果表明冲击次数为5次时,累积微坑深度为10.16μm,满足微坑深度超过10μm的要求,确定冲击次数为5次。 [0072] 4.零件的微锻处理 [0073] (1)使用确定的设备参数,见表4,包括脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸和频率。 [0074] 表4ZTC4钛合金高频激光微锻的设备参数 [0075] [0076] (2)零件装夹固定后,将激光冲击头移动到起始位置开始冲击,连续冲击所需次数后,激光头平移0.43mm再次冲击,以此类推,对大面积区域进行微锻处理。 [0077] 5.零件的微锻后加工 [0078] 微锻后,采用研磨方式对零件表面进行后处理,研磨材料去除量应小于2μm。 [0079] 实施案例三: [0081] 具体步骤如下: [0082] 1.零件的准备 [0083] 材料为原始铸造表面,使用工业酒精清理表面,确保表面无附着物和油污。 [0084] 2.高频激光设备参数确定 [0085] 根据材料的特点,确定高频激光设备的参数见表5。 [0086] 表5ZL101铝合金高频激光微锻的设备参数 [0087] [0088] 3.微锻参数确定 [0089] (1)使用ZL101铝合金材料加工平板试样,试样表面抛光处理,表面粗糙度值Ra小于0.2μm; [0090] (2)使用表5的参数,光斑尺寸选择为Ф0.8mm,分别使用50mj、60mj、70mj、80mj、90mj、100mj能量冲击平板试样,使用白光干涉仪,检测单次冲击微坑深度,结果表明脉冲能量50mj时微坑深度为5.24μm,微坑直径为Ф0.68mm,满足微坑深度5±1μm的要求,确定脉冲能量为50mj。 [0091] (3)在平板试样上,使用50mj能量,在不同位置分别进行冲击,冲击次数分别为2次、5次、6次、7次、8次,使用白光干涉仪,检测不同冲击次数下微坑累积深度,结果表明冲击次数为5次时,累积微坑深度为11.32μm,满足微坑深度超过10μm的要求,确定冲击次数为5次。 [0092] 4.零件的微锻处理 [0093] (1)使用确定的设备参数,见表6,包括脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸和频率。 [0094] 表6ZL101铝合金高频激光微锻的设备参数 [0095] [0096] (2)零件装夹固定后,将激光冲击头移动到起始位置开始冲击,连续冲击所需次数后,激光头平移0.68mm再次冲击,以此类推,对大面积区域进行微锻处理。 [0097] 5.零件的微锻后加工 [0098] 微锻后,采用研磨方式对零件表面进行后处理,研磨材料去除量应小于2μm。 |