[发明专利]一种提高材料高温疲劳寿命的强化方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，特指一种激光冲击与低温离子注入 复合处理技术延长高温条件下工件的疲劳寿命的方法与装置，尤其适用于高温疲劳条件下金 属材料及合金材料的表面强化改性。

背景技术

激光冲击强化(LSP)是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、 磨损和应力腐蚀等性能的技术。其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用， 在金属材料表面形成塑性变形层，从而使金属材料的疲劳强度与硬度等性能得以提高，尤其 是疲劳寿命。这一技术已在航空、船舶、机械工程、微电子等各行各业中得到了广泛应用， 目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。

离子注入技术是将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物 理和化学性质的一种材料表面改性技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射 到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离 子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优 化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。

由于设备构件多处在高温、高压等复杂多变的工况条件下，例如在航空航天、石油化工、 核子工业、动力机械行业中。这些复杂的载荷、苛刻的环境都对设备材料的疲劳、蠕变性能 造成很大的影响，使得对材料的高温性能提出来很大的挑战。

本发明技术就是将激光冲击强化技术与低温离子注入处理这两种技术有效结合起来，利 用各自的优点来弥补对方的不足，零件材料经过激光冲击强化处理后再对其表面进行离子注 入复合处理加工，使其表面形成高幅残余压应力，这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、 抗高温氧化性能，且在高温疲劳条件下激光冲击所产生的残余压应力不会大大释放，从而提 高零件的高温疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的是综合解决材料表面强化改性产生的残余压应力在高温疲劳条件下容易释 放的难题。一种激光冲击和低温离子注入复合处理技术延长零件高温疲劳寿命的方法与装置， 利用激光冲击产生的高幅值残余压应力层，与离子注入提高零件表面的耐磨性和抗腐蚀性， 有效地改善零件的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。这 种技术明显提高了零件的高温疲劳寿命，扩大了材料的使用温度。

本发明提供了用激光冲击与低温离子注入复合处理技术延长高温疲劳件疲劳寿命的装 置，该装置由激光冲击强化装置和离子注入机组合而成，激光强化装置由依次相连的激光发 生器控制装置、激光发生器、多轴复合运动的工作平台组成。在激光冲击波的高压作用下， 金属表面形成极大的冲击或应力波，从而使材料表层显微组织中产生密集、均匀、稳定的位 错压结构，材料表面晶粒得到细化，残留高幅值压应力层。

激光冲击处理结束后，再对工件在离子注入机上进行离子注入。根据美国SAE激光冲击 强化规范，为了预防残余压应力的降低，离子注入处理时，最高温度不超过200℃，离子注 入后无需再进行机械加工和热处理。由于激光冲击处理后试样表面活性增大，更利于注入的离 子向基体扩散，使试样表面的注入离子浓度梯度更为平缓，在服役过程中，离子注入层不容易 剥落而且有效的防止了激光冲击强化产生的残余压应力在高温疲劳下的松弛。从而有效地改 善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。

本发明表面处理方法的创新，在于充分结合了激光冲击强化和低温离子注入工艺的特点， 激光冲击强化产生的残余压应力能明显降低裂纹扩展速率，并可能提高疲劳裂纹扩展门槛应 力强度因子，这种强化效应在结构的止裂上有很好的工程应用前景。但很多设备经常要在高温 高压下长期工作，这样强化产生的残余压应力将会释放，而离子注入可有效的阻止残余压应 力在高温疲劳下的释放。将这两者结合起来，可以对金属材料进行全方位综合表面改性强化。