專利名稱：一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到冷處理、激光加工領(lǐng)域，特別指在超低溫環(huán)境下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的應(yīng)用方法與裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，石油天然氣的消耗快速增長(zhǎng)，相關(guān)的石油天然氣勘探、鉆采、輸送、加工等行業(yè)發(fā)展迅速。這些行業(yè)所用的設(shè)備金屬材料，基本上需要在低溫環(huán)境下(-50° C以下)使用，而一般的金屬材料在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生脆性破壞，如鋼材等，這就要求金屬材料必須具備良好的強(qiáng)韌性特征。為了改善金屬材料的使用性能，出現(xiàn)了各種強(qiáng)化手段，傳統(tǒng)的金屬材料強(qiáng)化技術(shù)有鍛打、冷擠壓、激光熱處理和機(jī)械噴丸等方法，使板材內(nèi)部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以達(dá)到強(qiáng)化目的，但存在著生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)， 加工柔性差等缺陷。目前，激光加工技術(shù)和激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、船舶及汽車等行業(yè)，激光沖擊強(qiáng)化與激光噴丸強(qiáng)化的出現(xiàn)，激光噴丸是集變形處理及細(xì)晶強(qiáng)化與一體的強(qiáng)化手段，很好的解決了傳統(tǒng)金屬材料強(qiáng)化技術(shù)的加工時(shí)間長(zhǎng)、加工柔性差等缺陷，但是在當(dāng)前的激光噴丸強(qiáng)化及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)都是在室溫下進(jìn)行的，強(qiáng)化之后得到的金屬材料強(qiáng)度與韌性、塑性之間存在著彼消此長(zhǎng)的矛盾，且強(qiáng)化效果僅僅局限于表層， 無(wú)法改變內(nèi)部組織及性能，而且在未沖擊區(qū)域及金屬材料心部會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在超低溫環(huán)境下使用。如公開(kāi)號(hào)為CN101560587A的中國(guó)專利，通過(guò)采用激光沖擊與電磁脈沖沖擊在室溫下來(lái)強(qiáng)化材料，該專利所涉及的方法雖然能夠提高材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能，但是也存在著不足(1)強(qiáng)化效果僅局限于材料表層，無(wú)法深入材料內(nèi)部及改善材料內(nèi)部的組織及其性能；(2)無(wú)法解決材料的強(qiáng)韌性問(wèn)題，隨著強(qiáng)度的提高，韌性有所下降；(3)所強(qiáng)化的材料在低溫環(huán)境下使用壽命很短；(4)其強(qiáng)化所提高的性能在低溫或者高溫下極其不穩(wěn)定，尺寸也不穩(wěn)定。如公開(kāi)號(hào)為CN1986841A的中國(guó)專利，采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)來(lái)提高鎂合金的耐腐蝕性能，雖然激光沖擊強(qiáng)化鎂合金能夠在其表面形成一定大小及其深度的殘余應(yīng)力及高密度位錯(cuò)，繼而提高鎂合金的耐腐蝕性能，但是也存在著不足(1) 無(wú)法改善鎂合金金屬材料的強(qiáng)韌性特征，隨著強(qiáng)度不斷的升高，韌性反而下降，無(wú)法應(yīng)用于超低溫環(huán)境；(2)強(qiáng)化效果僅局限于鎂合金金屬材料的表層，并沒(méi)有深入金屬材料內(nèi)部，無(wú)法改善金屬材料內(nèi)部的組織性能；(3)在鎂合金表層形成一定深度的殘余壓應(yīng)力及高密度位錯(cuò)，但是在未沖擊區(qū)域及金屬材料心部產(chǎn)生了拉應(yīng)力；(4)其強(qiáng)化所提高的性能在超低溫環(huán)境下極其不穩(wěn)定，尺寸也不穩(wěn)定；(5)所得到的殘余壓應(yīng)力分布及其不均勻。隨著深冷處理技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上有效的改善了金屬材料的強(qiáng)韌性特征， 通過(guò)將金屬材料置于超低溫環(huán)境下(-196° C以下)，其主要是通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、改變殘余奧氏體數(shù)量、結(jié)構(gòu)、形狀及分布及析出沉淀物來(lái)改善金屬材料的強(qiáng)韌性特征，但是通過(guò)單一的深冷強(qiáng)化處理來(lái)改善金屬材料的強(qiáng)韌性特征，也存在著較大的不足(1)并非所有的金屬金屬材料都可以通過(guò)單一的深冷處理來(lái)提高金屬材料的強(qiáng)韌性特征，即單一深冷處理提高金屬材料強(qiáng)韌性特征的對(duì)象有一定的限制，如不銹鋼、碳素鋼等金屬材料，通過(guò)單一的金屬材料很難提高這些金屬材料的韌性；(2)單一的深冷強(qiáng)化處理所提高的金屬材料韌性幅度很小，如[1.晉芳偉、陳紹甫.超低溫處理改善高速鋼刀具性能及機(jī)理研究.新技術(shù)新工藝.1999，2:22— 23]通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試，通過(guò)單一深冷處理強(qiáng)化金屬材料得到的韌性相比未通過(guò)深冷處理的韌性僅僅提高了 0. 7J/cm2 ； (2)通過(guò)單一的深冷強(qiáng)化處理的金屬材料無(wú)法在超低溫(-130° C以下)環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用。一種制備高性能、高質(zhì)量的材料強(qiáng)化技術(shù)不應(yīng)僅僅局限于材料的局部改性，而應(yīng)該在較大幅度提高材料的機(jī)械、力學(xué)性能前提下對(duì)整個(gè)金屬材料由表及里地進(jìn)行強(qiáng)化，且提高后的性能、尺寸應(yīng)該能夠在超低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，且材料應(yīng)同時(shí)具有良好的強(qiáng)度與韌性、塑性，方可滿足材料在各種苛刻環(huán)境下的應(yīng)用及加工要求。從材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可知當(dāng)材料內(nèi)部出現(xiàn)高密度納米孿晶及納米析出物時(shí)，可以顯著提高材料的強(qiáng)韌性特征，并能有效提高材料的機(jī)械、力學(xué)性能。那么尋找一種高能量的位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)力成為研究關(guān)鍵。因此，如何挖掘與開(kāi)發(fā)出一種能夠在材料內(nèi)部形成高密度納米孿晶及納米析出物的新穎技術(shù)已成為21世紀(jì)的一個(gè)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，也是材料行業(yè)及機(jī)械領(lǐng)域急需解決材料強(qiáng)韌性難題、滿足材料在超低溫環(huán)境下長(zhǎng)期服役的一大難題。對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行搜索，目前還沒(méi)有通過(guò)在超低溫環(huán)境下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化材料來(lái)制備出具有高密度納米孿晶及納米析出物的相關(guān)報(bào)道。本發(fā)明首次提出在超低溫環(huán)境下對(duì)金屬材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在金屬材料內(nèi)部形成高密度納米孿晶及納米析出物的方法與裝置，克服當(dāng)前室溫下激光沖擊強(qiáng)化材料技術(shù)的強(qiáng)化效果僅僅局限于材料表層且無(wú)法應(yīng)用于較低溫度環(huán)境、在材料心部及未沖擊區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力、殘余壓應(yīng)力分布不均勻、無(wú)法解決材料的強(qiáng)韌性特征及單一深冷強(qiáng)化處理無(wú)法適用于所有金屬材料、無(wú)法顯著提高材料的韌性及無(wú)法滿足材料長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于超低溫環(huán)境，提供一種新型有效的強(qiáng)化材料方法，在超低溫環(huán)境施加激光沖擊強(qiáng)化沖擊效應(yīng)來(lái)顯著提高金屬材料的性能，解決金屬材料強(qiáng)韌化問(wèn)題，使得金屬材料能夠滿足在超低溫環(huán)境下使用要求，更加完善了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用。一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法，其方法步驟如下
A)用工業(yè)酒精清洗金屬試樣材料，將金屬試樣材料放置在深冷處理腔內(nèi)的試樣放置平臺(tái)上，并將約束層、能量吸收層放置在試樣金屬材料上，封閉深冷處理腔。B)打開(kāi)液氮灌的開(kāi)關(guān)，使液氮以3(T50cm7S的流量流入深冷處理腔內(nèi)的液氮存儲(chǔ)腔，使深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C，保溫10tT24h ；
C)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制Nd:YAG固體激光器以及五軸工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使Nd:YAG固體激光器發(fā)出激光能量為lOOmjIj，光斑直徑為0. 8mnT2mm，頻率8Hz，脈寬為8ns，搭接率為75%的激光束通過(guò)光學(xué)鏡片，經(jīng)過(guò)反射鏡的作用到達(dá)約束層上，對(duì)金屬試樣材料進(jìn)行短時(shí)激光沖擊強(qiáng)化處理；
D)關(guān)閉Nd:YAG固體激光器，讓金屬試樣材料在深冷處理腔內(nèi)保溫10tT50h小時(shí)；
E)啟動(dòng)微型加熱器，對(duì)深冷處理腔內(nèi)部進(jìn)行升溫處理，直到室溫；其中，所述的深冷處理是從室溫開(kāi)始下降，所述步驟B)冷卻速度和所述步驟E)升溫速度為 2 10° C/min。其中，所述步驟B)中深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C后，啟動(dòng)微型加熱器，對(duì)深冷處理腔內(nèi)部進(jìn)行升溫處理，直到室溫；再次深冷，使深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C ； 所述深冷次數(shù)為1 3次。一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的裝置，其特征在于，包括深冷處理腔22、液氮存儲(chǔ)腔16、五軸工作臺(tái)17、微型加熱器19、試樣放置平臺(tái)26、約束層23、Nd =YAG固體激光器1、光學(xué)鏡片3、反射鏡4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18、壓力控制閥6、電磁閥7、液氮回收管道5、排氣管8、氮?dú)庖夯b置9、增壓閥10、流量控制閥12、液氮輸送管道15、液氮罐開(kāi)關(guān)13、能量吸收層25、液氮罐14、液氮回流管道11、流量控制閥12、電子開(kāi)關(guān)27、溫度傳感器21和A/D 轉(zhuǎn)換器20 ；所述深冷處理腔22內(nèi)設(shè)置液氮存儲(chǔ)腔16和試樣放置平臺(tái)26，所述深冷處理腔 22放置在五軸工作臺(tái)17上，五軸工作臺(tái)17通過(guò)導(dǎo)線連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18 ；試樣置于試樣放置平臺(tái)沈上，在深冷處理腔內(nèi)22設(shè)有溫度傳感器21，通過(guò)導(dǎo)線將溫度傳感器21、A/D轉(zhuǎn)換器20與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18連接；在深冷處理腔22的內(nèi)壁設(shè)有微型加熱器19，所述微型加熱器 19通過(guò)導(dǎo)線將電子開(kāi)關(guān)27與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18連接；通過(guò)液氮輸送管15將液氮罐14的出液口與液氮存儲(chǔ)腔16連接，并在液氮輸送管15上設(shè)有流量控制閥12 ；通過(guò)液氮回流管11將液氮罐23的進(jìn)液口與氮?dú)庖夯b置9連接，在氮?dú)庖夯b置9上設(shè)有一根排氣管8，在液氮回收管道5設(shè)有壓力控制閥7、電磁閥6與增壓閥10 ；Nd =YAG固體激光器1與光學(xué)鏡片 3位于同一直線上，調(diào)整反射鏡4的角度使激光束2垂直照射到約束層23上，NdiYAG固體激光器1與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18相連。所述的深冷處理腔22與液氮存儲(chǔ)腔16是一體的，深冷處理腔22與液氮存儲(chǔ)腔16 之間用導(dǎo)熱性能較好的金屬板隔開(kāi)。所述的深冷處理腔22的頂面用光學(xué)玻璃制作而成，其余面用金屬制作，并在金屬面涂上一層隔熱金屬材料薄膜，頂面涂覆一層增透薄膜。所述的液氮存儲(chǔ)腔16外壁用金屬金屬材料構(gòu)成，液氮存儲(chǔ)腔外壁涂有一層隔熱金屬材料薄膜。本發(fā)明在超低溫環(huán)境下采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行強(qiáng)化處理，當(dāng)金屬材料處于超低溫環(huán)境時(shí)，因低溫金屬材料會(huì)發(fā)生劇烈的收縮塑性變形，在內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，此時(shí)利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的瞬時(shí)沖擊效應(yīng)，使金屬材料中高密度位錯(cuò)發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)， 而高密度位錯(cuò)快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，又可誘發(fā)高密度納米孿晶，有效解決了金屬材料強(qiáng)韌性問(wèn)題，從而使金屬材料能夠在超低溫環(huán)境長(zhǎng)期服役；當(dāng)高密度位錯(cuò)與溶質(zhì)原子相互作用時(shí)，又可以析出大量的納米析出物，納米析出物彌散分布在晶界處，有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使所提高的性能更加穩(wěn)定，從而有效防止金屬材料在低溫環(huán)境下發(fā)生脆性破壞，并能進(jìn)一步促進(jìn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體的分解與細(xì)化，從而提高了金屬材料的性能的穩(wěn)定性及各種力學(xué)性能，繼而強(qiáng)化了整個(gè)金屬材料。隨著深冷次數(shù)的增加，金屬材料中的形成的位錯(cuò)密度不斷增加、殘余奧氏體的數(shù)量不斷減小，馬氏體不斷增加，金屬材料內(nèi)部組織也不斷的細(xì)化，當(dāng)深冷次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，深冷效果就趨于飽和，所提高的各項(xiàng)力學(xué)、機(jī)械性能也達(dá)到最大值， 再此基礎(chǔ)上，借助激光沖擊效應(yīng)，可以得到性能更加優(yōu)異的金屬材料。故深冷次數(shù)選擇廣3 次。
本發(fā)明的方法與裝置具備以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明采用了一種新型有效的強(qiáng)化金屬材料方法——深冷激光沖擊強(qiáng)化方法，增加了位錯(cuò)密度以及加速了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，繼而誘發(fā)高密度納米孿晶及大量超細(xì)析出物，并大大促進(jìn)了奧氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體的轉(zhuǎn)變與細(xì)化以及晶粒、組織細(xì)化，從而極大地提高了金屬材料的機(jī)械、力學(xué)性能，有效解決了金屬材料的強(qiáng)韌化問(wèn)題。2、本發(fā)明對(duì)金屬材料的強(qiáng)化作用是由表及里強(qiáng)化整個(gè)金屬材料，并非強(qiáng)化金屬材料表層。3、本發(fā)明使用了液氮作為冷卻介質(zhì)，減少了環(huán)境污染。4、本發(fā)明裝置設(shè)有一個(gè)氮?dú)庖夯⒒厥昭b置，達(dá)到循環(huán)再利用的效果，大大減小了液氮的消耗量，從而節(jié)約了成本。5、本發(fā)明裝置設(shè)有一個(gè)精確自動(dòng)控制溫度的溫控模塊，可以精確測(cè)量深冷處理腔內(nèi)的溫度。


下面結(jié)合附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)施例1中室溫下激光沖擊強(qiáng)化金屬材料后的殘余應(yīng)力分布圖。圖3為本實(shí)施例2中深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料后的殘余應(yīng)力分布圖。圖中，1、Nd =YAG固體激光器；2、激光束；3、光學(xué)鏡片；4、反射鏡；5、液氮回收管道；6、電磁閥；7、壓力控制閥；8、排氣管；9、氮?dú)庖夯b置；10、增壓閥；11、液氮回流管； 12、流量控制閥；13、液氮罐開(kāi)關(guān)；14、液氮罐；15、液氮輸送管道；16、液氮存儲(chǔ)腔；17、五軸工作臺(tái)；18、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；19、微型加熱器；20、A/D轉(zhuǎn)換器；21、溫度傳感器；22、深冷處理腔；23、約束層；24、金屬材料試樣；25、能量吸收層；26、試樣放置平臺(tái)；27、電子開(kāi)關(guān)。
具體實(shí)施例方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置包括深冷處理腔22 ；液氮存儲(chǔ)腔16 ；五軸工作臺(tái)17 ；微型加熱器19 ；試樣放置平臺(tái)沈；約束層23 ；Nd =YAG固體激光器1 ；光學(xué)鏡片3 ；反射鏡4 ；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18 ；壓力控制閥6 ；電磁閥7 ；液氮回收管道5 ；排氣管8 ；氮?dú)庖夯b置9 ；增壓閥10 ； 流量控制閥12 ；液氮輸送管道15 ；液氮罐開(kāi)關(guān)13 ；能量吸收層25 ；液氮罐14 ；液氮回流管道11;溫度傳感器21; A/D轉(zhuǎn)換器20、電子開(kāi)關(guān)27。在深冷處理腔22內(nèi)設(shè)有液氮存儲(chǔ)腔16及試樣放置平臺(tái)沈，深冷處理腔22將放置在五軸工作臺(tái)17上，五軸工作臺(tái)17通過(guò)導(dǎo)線連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18 ；試樣置于試樣放置平臺(tái) 26上，在深冷處理腔內(nèi)22設(shè)有溫度傳感器21，用導(dǎo)線將溫度傳感器21、A/D轉(zhuǎn)換器20及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18連接起來(lái)；在深冷處理腔22的內(nèi)壁設(shè)有微型加熱器19，微型加熱器19通過(guò)導(dǎo)線將電子開(kāi)關(guān)27與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18相連；用液氮輸送管15將液氮罐14的出液口與液氮存儲(chǔ)腔16連接起來(lái)，并在液氮輸送管15上設(shè)有流量控制閥12 ；同時(shí)，利用液氮回流管11將液氮罐23的進(jìn)液口與氮?dú)庖夯b置9連接起來(lái)，并在氮?dú)庖夯b置9上設(shè)有一根排氣管8， 在液氮回收管道5設(shè)有壓力控制閥7、電磁閥6 ；激光器1、光學(xué)鏡片3位于同一直線上，調(diào)整好反射鏡4的角度，使激光束2能夠垂直照射到約束層23上，激光器1與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18相連。用工業(yè)酒精清洗好金屬試樣材料試樣M的表面，并將金屬材料試樣M安放在試樣放置平臺(tái)26上面，用抽真空機(jī)將整個(gè)液氮存儲(chǔ)儲(chǔ)腔16抽至真空；打開(kāi)液氮灌14的開(kāi)關(guān) 13，經(jīng)過(guò)流量控制閥12的作用，使得液氮以3(T50cm7S的流量流入液氮存儲(chǔ)腔16，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18的控制作用以3° C的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在溫度傳感器21作用下將數(shù)據(jù)輸送給A/D轉(zhuǎn)換器20，測(cè)得的溫度在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18上顯示為-196° C，并保溫20h，再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18，控制Nd:YAG固體激光器1以及數(shù)控五軸工作臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)軌跡，Nd:YAG固體激光器1發(fā)出激光束2通過(guò)光學(xué)鏡片3，經(jīng)過(guò)反射鏡4的作用使得激光束2垂直照射到達(dá)約束層23上，進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，其中激光能量為IOOmJlJ,光斑直徑為0. 8mnT2mm， 頻率8Hz，搭接率為75% ；激光沖擊完畢之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18關(guān)閉Nd:YAG固體激光器 1，讓試樣金屬材料M在深冷處理腔22內(nèi)保溫10tT50h個(gè)小時(shí)。然后在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18的作用下，啟動(dòng)微型加熱器19，使得深冷處理腔22內(nèi)部以3° C的升溫速度進(jìn)行升溫處理，在溫度傳感器21以及A/D轉(zhuǎn)換器20作用下，測(cè)得的溫度在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18上顯示為25° C; 液氮存儲(chǔ)腔16的氮?dú)馔ㄟ^(guò)氮?dú)饣厥展艿?，經(jīng)過(guò)電磁閥6作用以恒定的流速經(jīng)過(guò)壓力控制閥7的作用到達(dá)氮?dú)庖夯b置9，液氮經(jīng)過(guò)液氮回流管道11、增壓閥10的作用使得液氮獲取IMPa的壓力回流至液氮罐14內(nèi)，未被液化的氣體通過(guò)排氣管8排到空氣中。實(shí)施例1
室溫激光沖擊強(qiáng)化160鎂合金
將尺寸為IOmmX IOmmX 5mm的3(60鎂合金M安放在試樣放置平臺(tái)沈上面，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18發(fā)出指令，控制Nd:YAG固體激光器1以及數(shù)控五軸工作臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)軌跡，Nd:YAG 固體激光器1發(fā)出激光束2通過(guò)光學(xué)鏡片3，經(jīng)過(guò)反射鏡4的作用使得激光束2垂直照射到 K9玻璃23上，進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，其中激光能量為2J，光斑直徑為2mm，頻率8Hz，搭接率為7596，以有機(jī)硅膠作為吸收層25，以K9玻璃為約束層23。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的儀器檢測(cè)到硬度由105HV增加到139HV，屈服強(qiáng)度由198MPa上升到 269MPa,延伸率由20. 5%上升到23. 4%。沖擊韌性由28. 4J. cm3下降到23，1 J. cm3,耐腐蝕性能提高了 37%，耐磨性提高了 57%。將金屬材料置于-70° C環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)1200min后， 金屬材料中最大殘余壓應(yīng)力釋放了 60%，強(qiáng)度下降了 45%。鎂合金金屬材料表層殘余應(yīng)分布圖見(jiàn)圖2。通過(guò)圖2可以看到，在未沖擊區(qū)域產(chǎn)生了拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力分布很不均勻。實(shí)施例2
深冷激光沖擊強(qiáng)化160鎂合金
在深冷處理腔22內(nèi)設(shè)有液氮存儲(chǔ)腔16及試樣放置平臺(tái)沈，深冷處理腔22將放置在五軸工作臺(tái)17上，五軸工作臺(tái)17通過(guò)導(dǎo)線連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18 ；試樣置于試樣放置平臺(tái)沈上， 在深冷處理腔內(nèi)22設(shè)有溫度傳感器21，用導(dǎo)線將溫度傳感器21、A/D轉(zhuǎn)換器20及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18連接起來(lái)；在深冷處理腔22的內(nèi)壁設(shè)有微型加熱器19，微型加熱器19通過(guò)導(dǎo)線將電子開(kāi)關(guān)27與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18相連；用液氮輸送管15將液氮罐14的出液口與液氮存儲(chǔ)腔 16連接起來(lái)，并在液氮輸送管15上設(shè)有流量控制閥12 ；同時(shí)，利用液氮回流管11將液氮罐 23的進(jìn)液口與氮?dú)庖夯b置9連接起來(lái)，并在氮?dú)庖夯b置9上設(shè)有一根排氣管8，在液氮回收管道5設(shè)有壓力控制閥7、電磁閥6 ；激光器1、光學(xué)鏡片3位于同一直線上，調(diào)整好反射鏡4的角度，使激光束2能夠垂直照射到約束層23上，激光器1與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18相連。
將尺寸為IOmmX IOmmX 5mm的3(60鎂合金M安放在試樣放置平臺(tái)沈上面，用抽真空機(jī)將整個(gè)存儲(chǔ)液氮的存儲(chǔ)腔16抽至真空；打開(kāi)液氮灌14的開(kāi)關(guān)13，經(jīng)過(guò)流量控制閥 12的作用，使得液氮以3(T50cm7S的流量流入液氮存儲(chǔ)腔16，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18的控制作用以3° C的冷卻速度進(jìn)行冷卻，在溫度傳感器21作用下將數(shù)據(jù)輸送給A/D轉(zhuǎn)換器20，測(cè)得的溫度在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18上顯示為-196° C，保溫20h，再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18，控制Nd: YAG 固體激光器1以及數(shù)控五軸工作臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)軌跡，NdiYAG固體激光器1發(fā)出激光束2通過(guò)光學(xué)鏡片3，經(jīng)過(guò)反射鏡4的作用使得激光束2垂直照射到K9玻璃23上，進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，其中激光能量為2J，光斑直徑為2mm，頻率8Hz，搭接率為7596，以有機(jī)硅膠作為吸收層25，以K9玻璃為約束層23 ；激光沖擊完畢之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18關(guān)閉Nd:YAG固體激光器1，讓3(60鎂合金M在深冷處理腔22內(nèi)保溫2 個(gè)小時(shí)。然后在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18 的作用下，深冷處理腔22內(nèi)部以3° C的升溫速度進(jìn)行升溫處理，在溫度傳感器21以及A/ D轉(zhuǎn)換器20作用下，測(cè)得的溫度在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18上顯示為25° C ；液氮存儲(chǔ)腔16的氮?dú)馔ㄟ^(guò)液氮回收管道5，經(jīng)過(guò)電磁閥6的作用以恒定的流速經(jīng)過(guò)壓力控制閥7的作用到達(dá)氮?dú)庖夯b置9，液氮經(jīng)過(guò)液氮回流管11、增壓閥10的作用使得液氮獲取IMPa的壓力回流至液氮罐14內(nèi)，未被液化的氣體通過(guò)排氣管8排到空氣中
經(jīng)過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)儀器可以看到經(jīng)過(guò)本發(fā)明處理后，在金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)了高密度納米孿晶，晶粒內(nèi)彌散分布著大量的沉淀析出物。晶粒尺寸由3(T40um下降到3 10um，晶粒明顯得到細(xì)化；硬度由105HV增加到189HV，屈服強(qiáng)度由198MPa上升到!MIMPa，延伸率由 20. 5%上升到37. 7%。沖擊韌性由28. 4J. cm3上升到57. 6 J. cm3,耐腐蝕性能提高了 37%，耐磨性提高了 57%。將金屬材料置于-140° C環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)1200min后，金屬材料并沒(méi)有發(fā)生脆性破壞，且金屬材料中最大殘余壓應(yīng)力釋放了 25%，強(qiáng)度下降了 15%。
鎂合金金屬材料表層殘余應(yīng)力分布見(jiàn)圖2與圖3。圖2為室溫下激光沖擊強(qiáng)化金屬材料后的殘余應(yīng)力分布圖，從圖中可以看到，在未沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力的分布很不均勻；圖3為深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料后的殘余應(yīng)力分布圖，從圖中可以看到，在未沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力仍然為壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力的分布比較均勻。
權(quán)利要求
1.一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法，其特征在于，采用了深冷激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生高密度納米孿晶及納米析出物，從而使金屬材料獲取高強(qiáng)度同時(shí)具有高韌性特征及顯著提高了整個(gè)金屬材料的力學(xué)性能與機(jī)械性能。
2.一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法，其特征在于，具體步驟如下A)用工業(yè)酒精清洗試樣金屬材料，將試樣金屬材料放置在深冷處理腔內(nèi)的試樣放置平臺(tái)上，并將約束層、能量吸收層放置在金屬試樣材料上，封閉深冷處理腔內(nèi)；B)打開(kāi)液氮灌的開(kāi)關(guān)，使液氮以3(T50cm7S的流量流入深冷處理腔內(nèi)的液氮存儲(chǔ)腔， 使深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C，保溫10tT24h ；C)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制Nd:YAG固體激光器以及五軸工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使Nd:YAG固體激光器發(fā)出激光能量為IOOmJH光斑直徑為0. 8mnT2mm，頻率8Hz，脈寬為8ns，搭接率為75%的激光束通過(guò)光學(xué)鏡片，經(jīng)過(guò)反射鏡的作用到達(dá)約束層上，對(duì)金屬試樣材料進(jìn)行短時(shí)激光沖擊強(qiáng)化處理；D)關(guān)閉Nd:YAG固體激光器，讓金屬試樣材料在深冷處理腔內(nèi)保溫10tT50h小時(shí)；E)啟動(dòng)微型加熱器，對(duì)深冷處理腔內(nèi)部進(jìn)行升溫處理，直到室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法，其特征在于，所述的深冷處理是從室溫開(kāi)始下降，所述步驟B)冷卻速度和所述步驟E)升溫速度均為 2 10° C/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法，其特征在于， 所述步驟B)中深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C后，啟動(dòng)微型加熱器，對(duì)深冷處理腔內(nèi)部進(jìn)行升溫處理，直到室溫溫度；再次深冷，使深冷處理腔內(nèi)溫度冷卻至-196° C ；所述深冷次數(shù)為1 3次。
5.一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的裝置，其特征在于，包括深冷處理腔(22)、 液氮存儲(chǔ)腔(16)、五軸工作臺(tái)(17)、微型加熱器(19)、試樣放置平臺(tái)(26)、約束層(23)、Nd: YAG固體激光器(1)、光學(xué)鏡片(3)、反射鏡(4)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)、壓力控制閥(6)、電磁閥 (7)、液氮回收管道(5)、排氣管(8)、氮?dú)庖夯b置(9)、增壓閥(10)、流量控制閥(12)、液氮輸送管道(15)、液氮罐開(kāi)關(guān)(13)、能量吸收層(25)、液氮罐(14)、液氮回流管道(11)、流量控制閥(12)、電子開(kāi)關(guān)(27)、溫度傳感器(21)和A/D轉(zhuǎn)換器(20)；所述深冷處理腔(22)內(nèi)設(shè)置液氮存儲(chǔ)腔(16)和試樣放置平臺(tái)(26)，所述深冷處理腔(22)放置在五軸工作臺(tái)(17) 上，五軸工作臺(tái)(17)通過(guò)導(dǎo)線連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)；試樣置于試樣放置平臺(tái)(26)上，在深冷處理腔內(nèi)(22)設(shè)有溫度傳感器(21)，通過(guò)導(dǎo)線將溫度傳感器(21)、A/D轉(zhuǎn)換器(20)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)連接；在深冷處理腔(22)的內(nèi)壁設(shè)有微型加熱器(19，)所述微型加熱器(19) 通過(guò)導(dǎo)線將電子開(kāi)關(guān)(27 )與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18 )連接；通過(guò)液氮輸送管(15 )將液氮罐(14)的出液口與液氮存儲(chǔ)腔(16)連接，并在液氮輸送管(15)上設(shè)有流量控制閥(12);通過(guò)液氮回流管(11)將液氮罐(23 )的進(jìn)液口與氮?dú)庖夯b置(9 )連接，在氮?dú)庖夯b置(9 )上設(shè)有一根排氣管(8)，在液氮回收管道(5)設(shè)有壓力控制閥(7)、電磁閥(6)與增壓閥(10);Nd =YAG 固體激光器(1)與光學(xué)鏡片(3)位于同一直線上，調(diào)整反射鏡(4)的角度使激光束(2)垂直照射到約束層(23)上，激光器(1)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的裝置，其特征在于， 深冷處理腔(22)與液氮存儲(chǔ)腔(16)是一體的，深冷處理腔(22)與液氮存儲(chǔ)腔(16)之間用導(dǎo)熱性能較好的金屬板隔開(kāi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的裝置，其特征在于， 深冷處理腔(22)的頂面用光學(xué)玻璃制作而成，其余面用金屬制作，并在金屬面涂上一層隔熱材料薄膜，頂面涂覆一層增透薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的裝置，其特征在于， 所述液氮存儲(chǔ)腔(16)外壁用金屬材料構(gòu)成，液氮存儲(chǔ)腔外壁涂有一層隔熱材料薄膜。
全文摘要
一種采用深冷激光沖擊強(qiáng)化金屬材料的方法與裝置，屬于激光加工、冷處理領(lǐng)域。本發(fā)明裝置包括了深冷處理腔、激光器、液氮罐、溫度傳感器等。本發(fā)明方法是在超低溫環(huán)境下采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化處理，完畢后，保溫一段時(shí)間后，讓其緩慢升至室溫。在超低溫環(huán)境下，金屬材料發(fā)生收縮變形，在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，借助激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的瞬時(shí)沖擊效應(yīng)，使材料中高密度位錯(cuò)發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)，繼而誘發(fā)高密度納米孿晶，使材料獲得高強(qiáng)度同時(shí)具有較高的韌性，有效地防止了金屬材料在低溫環(huán)境下發(fā)生脆性破壞；同時(shí)在材料中析出大量納米析出物，并能有效促進(jìn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體及晶粒的細(xì)化，從而顯著提高了材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能。
文檔編號(hào)C22F1/00GK102492805SQ20111042250
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者周建忠, 季杏露, 安中偉, 左立黨, 楊晶, 樊玉杰, 謝小江, 陳寒松, 黃舒 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)