專利名稱：在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法
在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)和激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)熱處理可用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品使用壽命，例如，滲碳可用于齒輪等傳動(dòng)部件；滲金屬可顯著改善零件的抗氧化、耐腐蝕性能，保證在高溫下的正常工作并延長(zhǎng)其使用壽命。一般來說，化學(xué)熱處理使用熱能，所需的擴(kuò)散溫度較高或擴(kuò)散時(shí)間較長(zhǎng)、能耗大。機(jī)械能助滲(ZL01107820. O)技術(shù)則利用滲劑和沖擊粒子在加熱爐的滾筒內(nèi)對(duì)工件表面沖擊，將化學(xué)熱處理的傳導(dǎo)傳熱方式改為粒子對(duì)流傳熱，增加粒子間接觸機(jī)會(huì)，并在機(jī)械能和熱能的作用下，粒子動(dòng)能激活工件表面點(diǎn)陣原子，形成空位，從而實(shí)現(xiàn)助滲，本發(fā)明的基本原理和實(shí)施過程均與該方法不同，是一種新的增滲方法。發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，減少化學(xué)熱處理時(shí)間，提高滲層質(zhì)量，并在材料或構(gòu)件表面形成性能穩(wěn)定的組織，從而顯著提高滲層質(zhì)量。
技術(shù)方案
一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，其特征在于步驟如下
步驟I :將試件裝夾到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，采用激光照射在吸收保護(hù)涂層上，保護(hù)涂層吸收激光能量，誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體沖擊波，作用于工件表面；所述激光波長(zhǎng)為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級(jí)、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75% ；
步驟2 :對(duì)激光沖擊波處理后的工件，采用滲鋁、滲氮或滲碳工藝進(jìn)行化學(xué)熱處理。
有益效果
本發(fā)明提出的一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體沖擊波對(duì)材料作用，并與化學(xué)熱處理相結(jié)合，從而改善金屬材料和構(gòu)件表面性能，提高其抗氧化、抗磨損、耐腐蝕的方法，化學(xué)熱處理可以是滲鋁、滲碳、滲氮和滲鋁鉻等。與常規(guī)化學(xué)熱處理方法相比
I、該方法采用高功率、短脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生高壓等離子體沖擊波，作用在材料表面，利用沖擊波的力學(xué)效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行處理，在材料表層產(chǎn)生高密度位錯(cuò)、晶粒細(xì)化，甚至產(chǎn)生納米晶，從而降低擴(kuò)散激活能，增加擴(kuò)散通道，提高擴(kuò)散效率，形成穩(wěn)定的滲層。
2、在高壓沖擊波的作用下，材料發(fā)生高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得材料表面位錯(cuò)增多、 晶粒細(xì)化甚至產(chǎn)生納米晶。位錯(cuò)密度和晶界的增加，為后續(xù)化學(xué)熱處理過程中的原子擴(kuò)散提供了通道，原子的擴(kuò)散激活能降低，有利于元素的擴(kuò)散和反應(yīng)。


圖I :12CrNi3A鋼常規(guī)滲碳SEM圖2 12CrNi3A鋼激光等離子體沖擊波作用后滲碳SEM圖中I、化合物層，2、含碳化物的滲碳層，3、滲碳層。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
本發(fā)明實(shí)施例的激光參數(shù)要求為激光波長(zhǎng)為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級(jí)、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75%，光斑大小和形狀根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特征選擇。 化學(xué)熱處理工藝可以是滲鋁、滲碳、滲氮或滲鋁鉻等。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟是
(a)將試件裝夾到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，采用高功率密度3-8GW/cm2、ns級(jí)短脈沖的激光照射在吸收保護(hù)層上，涂層吸收激光能量，并誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體沖擊波，作用于工件表面；等離子體沖擊波按照一定路徑作用待處理區(qū)域，光斑間的面積搭接率為50-75% ;激光誘導(dǎo)等離子沖擊波作用下，工件表層材料發(fā)生高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，并使晶粒細(xì)化；
(b)對(duì)激光沖擊波處理后的工件，進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)熱處理(如滲鋁、滲氮或滲碳-rf* ) O
具體實(shí)施里對(duì)常用的12CrNi3A滲碳鋼進(jìn)行激光等離子體沖擊波增滲處理，具體工藝步驟為
(a)設(shè)置激光波長(zhǎng)1064nm，脈寬20ns，功率密度為3. 2Gff/cm2 (激光能量8J，光斑形狀圓形，光斑直徑4mm)，光斑搭接率60%。
(b)采用膠帶為吸收保護(hù)涂層，粘貼在12CrNi3A鋼表面；
(c)將粘貼有吸收涂層的工件裝到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，采用高功率、短脈沖激光對(duì) 12CrNi3A鋼表面進(jìn)行沖擊處理。
(d)將沖擊波作用后的12CrNi3A鋼，進(jìn)行滲碳處理，在其表面得到一層滲碳層，具體工藝為采用井式滲碳爐，在880°C ±10°C溫度和甲苯介質(zhì)滴注式的氣氛下，保溫3-5小時(shí)。
通過以上實(shí)例，可以看到本發(fā)明的效果是在齒輪的等離子體沖擊波處理區(qū)域，由于表層的超細(xì)化晶粒和高密度位錯(cuò)組織擁有很高的自由能，且缺陷急劇增加，為原子的擴(kuò)散提供了通道，形成的滲層深度加深，滲層組織致密(如圖2所示)，與比常規(guī)工藝滲碳(如圖 I所示)相比，表層碳化物分布均勻，細(xì)小，有利于表面耐磨性能的提高，同時(shí)基材的組織、性能基本沒有變化。因此，為了獲得相同的滲層深度，可顯著降低化學(xué)熱處理溫度，縮短處理時(shí)間，從而可減小工件的變形。在SJ-Tribometer磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下載荷14. 7牛頓，線速度100mm/S，運(yùn)轉(zhuǎn)45000周。激光等離子體沖擊波增滲處理后試件的比磨損率降低了 40%以上。
權(quán)利要求
1.一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，其特征在于步驟如下 步驟I:將試件裝夾到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，采用激光照射在吸收保護(hù)涂層上，保護(hù)涂層吸收激光能量，誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體沖擊波，作用于工件表面；所述激光波長(zhǎng)為1064/532nm，脈沖寬度為納秒量級(jí)、激光功率密度3-8GW/cm2，光斑搭接率50-75% ； 步驟2 :對(duì)激光沖擊波處理后的工件，采用滲鋁、滲氮或滲碳工藝進(jìn)行化學(xué)熱處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在化學(xué)熱處理過程中采用激光等離子體沖擊波增滲的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體沖擊波對(duì)材料作用，并與化學(xué)熱處理相結(jié)合，從而改善金屬材料和構(gòu)件表面性能，提高其抗氧化、抗磨損、耐腐蝕的方法，化學(xué)熱處理可以是滲鋁、滲碳、滲氮和滲鋁鉻等。本發(fā)明的效果是為了獲得相同的滲層深度，可顯著降低化學(xué)熱處理溫度，縮短處理時(shí)間，從而可減小工件的變形。
文檔編號(hào)C23F17/00GK102978628SQ201210492108
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者何衛(wèi)鋒, 李玉琴, 李應(yīng)紅, 周留成, 何光宇, 王學(xué)德 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)