[发明专利]一种热场辅助激光喷丸压印硬质颗粒表面改性装置及方法

说明书

本发明提出了一种热场辅助激光喷丸压印硬质颗粒表面改性装置及方法，属于金属材料表面激光改性领域。它包括激光器运动机构、铺压吸粉一体机构、搬运机械臂组件、存储工作台、总控台、装夹工作台和工件放置台，所述铺压吸粉一体机构滑动连接在装夹工作台上，所述装夹工作台上放置加工工件，所述激光器运动机构设置在加工工件上方，所述搬运机械臂组件包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂和第二机械臂分别设置在装夹工作台的两侧，所述第一机械臂旁边设置存储回收台，所述第二机械臂旁边设置工件放置台，所述总控台分别与激光器运动机构、铺压吸粉一体机构、搬运机械臂组件和装夹工作台通讯相连。它主要用于金属表面改性。

技术领域

本发明属于金属材料表面激光改性领域，特别是涉及一种热场辅助激光喷丸压印硬质颗粒表面改性装置及方法。

背景技术

在航空航天领域、重载矿山机械中金属零部件长期在高速、重载、超负荷等恶劣工况下服役，金属材料表面的失效形式主要有三种类型：断裂、磨损、腐蚀。根据断裂之前变形量的大小，可以分为脆性断裂和韧性断裂。韧性断裂在发生前有明显的形变量及形变过程，而脆性断裂不存在性变过程，往往是在长时间应力循环的作用下发生的，由于断裂过程突然，毫无预兆，往往比韧性断裂造成更大的经济损失。各金属零部件之间互相摩擦，使得材料表面温度升高，磨损量的增加会使机器设备丧失应有的精度，进而产生振动和噪声，缩短使用寿命。金属材料与周围介质相互接触会发生化学及电化学反应产生腐蚀，通常以应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀最为常见。因此，改善金属材料相关性能至关重要。

高能激光束表面改性作为一种清洁无污染的表面处理技术，能在金属材料表面形成一定厚度的处理层，极大的改善材料表面的力学、冶金、物理性能。其中激光喷丸技术(LSP)通过高频短脉冲激光辐照材料表面产生GPa量级等离子体冲击波，在约束层的作用下，从金属材料表面扩展到材料内部，使金属表层发生超高应变率塑性变形，诱导产生高幅残余压应力，细化材料表层晶粒，提高材料表层硬度，形成结构致密、性能优越的功能梯度材料，对提高材料抗磨损、疲劳和腐蚀等性能具有显著影响。但是LSP后材料表面微观组织不稳定，其诱导的力学性能增益如残余压应力、硬度等在高温和循环载荷服役环境中容易产生应力松弛现象，导致LSP对材料表面的强化效果减弱。

提高激光喷丸时基板的温度，可以有效的解决在高温和循环载荷服役环境中，LSP后材料表面微观组织不稳定、残余压应力、硬度等下降的问题。利用热力耦合效应，基于温度变化的动态应变时效来调控金属材料的性能。将激光喷丸时基板的温度控制在0.2Tm～0.5Tm(Tm为材料熔点)时较常温状态可以在金属基体材料内部产生更高的位错密度，更细的晶粒以及纳米级动态析出物，使得材料的性能增益更加稳定，表面硬度、耐腐蚀性及高温、循环加载条件下的高幅残余压应力释放速度减缓，但这种方法对对提高材料表面的硬度和摩擦磨损性能有限。

纳米硬质颗粒注入金属材料表层会显著的提高基体材料的的硬度和耐磨性，但受限于当前的技术水平，很难实现在组织强化的过程中有效的完成这一工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种热场辅助激光喷丸压印硬质颗粒表面改性装置及方法，在热场辅助下将激光冲击表面强化技术与硬质颗粒注入表面改性技术有机结合起来，耦合制备具有晶粒细化、较高位错密度和硬质颗粒注入强化的高强度金属材料表面；在热场辅助下激光喷丸诱导的高幅残余应力在高温、循环载荷作用下不易松弛，进一步提高金属基体材料的疲劳性能；纳米硬质颗粒在激光诱导的GPa量级等离子体冲击波力作用与热场辅助产生的热效应下嵌入金属材料表面，激光喷丸产生的组织及应力强化得到了提高，受激光喷丸热效应与热场热效应耦合作用的影响，纳米硬质颗粒与基体材料的结合强度有效增加，能够显著提高材料表面的摩擦磨损性能。热场辅助激光喷丸压印硬质颗粒表面改性后金属基体材料的表面综合性能得到有效的提高，延长金属部件在恶劣的工作条件下的使用寿命。