[发明专利]在化学热处理过程中采用激光等离子体冲击波增渗的方法

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术和激光加工领域，尤其涉及一种在化学热处理过程中采用激光等离子体冲击波增渗的方法。

背景技术

化学热处理可用于提高产品质量，延长机械产品使用寿命，例如，渗碳可用于齿轮等传动部件；渗金属可显著改善零件的抗氧化、耐腐蚀性能，保证在高温下的正常工作并延长其使用寿命。一般来说，化学热处理使用热能，所需的扩散温度较高或扩散时间较长、能耗大。机械能助渗（ZL01107820.0）技术则利用渗剂和冲击粒子在加热炉的滚筒内对工件表面冲击，将化学热处理的传导传热方式改为粒子对流传热，增加粒子间接触机会，并在机械能和热能的作用下，粒子动能激活工件表面点阵原子，形成空位，从而实现助渗，本发明的基本原理和实施过程均与该方法不同，是一种新的增渗方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种在化学热处理过程中采用激光等离子体冲击波增渗的方法，减少化学热处理时间，提高渗层质量，并在材料或构件表面形成性能稳定的组织，从而显著提高渗层质量。

技术方案

一种在化学热处理过程中采用激光等离子体冲击波增渗的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将试件装夹到运动系统上，采用激光照射在吸收保护涂层上，保护涂层吸收激光能量，诱导产生等离子体冲击波，作用于工件表面；所述激光波长为1064/532nm，脉冲宽度为纳秒量级、激光功率密度3-8GW/cm²，光斑搭接率50-75%；

步骤2：对激光冲击波处理后的工件，采用渗铝、渗氮或渗碳工艺进行化学热处理。

有益效果

本发明提出的一种在化学热处理过程中采用激光等离子体冲击波增渗的方法，利用高功率、短脉冲激光诱导产生等离子体冲击波对材料作用，并与化学热处理相结合，从而改善金属材料和构件表面性能，提高其抗氧化、抗磨损、耐腐蚀的方法，化学热处理可以是渗铝、渗碳、渗氮和渗铝铬等。与常规化学热处理方法相比：

1、该方法采用高功率、短脉冲激光诱导产生高压等离子体冲击波，作用在材料表面，利用冲击波的力学效应对材料进行处理，在材料表层产生高密度位错、晶粒细化，甚至产生纳米晶，从而降低扩散激活能，增加扩散通道，提高扩散效率，形成稳定的渗层。

2、在高压冲击波的作用下，材料发生高应变率动态响应，使得材料表面位错增多、晶粒细化甚至产生纳米晶。位错密度和晶界的增加，为后续化学热处理过程中的原子扩散提供了通道，原子的扩散激活能降低，有利于元素的扩散和反应。

附图说明

图1：12CrNi3A钢常规渗碳SEM图；

图2：12CrNi3A钢激光等离子体冲击波作用后渗碳SEM图；

图中：1、化合物层，2、含碳化物的渗碳层，3、渗碳层。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的激光参数要求为：激光波长为1064/532nm，脉冲宽度为纳秒量级、激光功率密度3-8GW/cm²，光斑搭接率50-75%，光斑大小和形状根据工件结构特征选择。化学热处理工艺可以是渗铝、渗碳、渗氮或渗铝铬等。

本发明所采用的技术方案步骤是：

（a）将试件装夹到运动系统上，采用高功率密度3-8GW/cm²、ns级短脉冲的激光照射在吸收保护层上，涂层吸收激光能量，并诱导产生等离子体冲击波，作用于工件表面；等离子体冲击波按照一定路径作用待处理区域，光斑间的面积搭接率为50-75％；激光诱导等离子冲击波作用下，工件表层材料发生高应变率动态响应，产生高密度位错，并使晶粒细化；

（b）对激光冲击波处理后的工件，进行相应的化学热处理（如渗铝、渗氮或渗碳等）。

具体实施里：对常用的12CrNi3A渗碳钢进行激光等离子体冲击波增渗处理，具体工艺步骤为：

（a）设置激光波长1064nm，脉宽20ns，功率密度为3.2GW/cm²（激光能量8J，光斑形状圆形，光斑直径4mm），光斑搭接率60％。

（b）采用胶带为吸收保护涂层，粘贴在12CrNi3A钢表面；

（c）将粘贴有吸收涂层的工件装到运动系统上，采用高功率、短脉冲激光对12CrNi3A钢表面进行冲击处理。

（d）将冲击波作用后的12CrNi3A钢，进行渗碳处理，在其表面得到一层渗碳层，具体工艺为：采用井式渗碳炉，在880℃±10℃温度和甲苯介质滴注式的气氛下，保温3-5小时。

通过以上实例，可以看到本发明的效果是：在齿轮的等离子体冲击波处理区域，由于表层的超细化晶粒和高密度位错组织拥有很高的自由能，且缺陷急剧增加，为原子的扩散提供了通道，形成的渗层深度加深，渗层组织致密（如图2所示），与比常规工艺渗碳（如图1所示）相比，表层碳化物分布均匀，细小，有利于表面耐磨性能的提高，同时基材的组织、性能基本没有变化。因此，为了获得相同的渗层深度，可显著降低化学热处理温度，缩短处理时间，从而可减小工件的变形。在SJ-Tribometer磨损实验机上进行耐磨性试验，试验条件如下：载荷14.7牛顿，线速度100mm/s，运转45000周。激光等离子体冲击波增渗处理后试件的比磨损率降低了40%以上。