[实用新型]基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置

说明书

本实用新型提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置，包括：激光器、气动式喷丸器和三轴数控机床；气动式喷丸器的喷头垂直固定在三轴数控机床的Z向导轨上，喷嘴离基体表面的距离可通过机床调整；激光器的激光头通过定制夹具与气动式喷丸器的喷头连接并形成夹角α，可以手动调整夹角α大小从而改变光斑位置；利用本实用新型装置在激光气体氮化时，同步采用高速喷射的弹丸流对尚未完全冷却的氮化层表面进行敲击，使氮化层内部产生残余压应力，以抵消氮化过程中由于受热不均匀产生的热拉应力，改善氮化层内部的应力状态，从而避免氮化层开裂。

技术领域

本实用新型涉及钛合金表面改性技术领域，提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置，适用于解决激光氮化工艺当中氮化层易开裂的问题，以提高氮化层质量。

背景技术

钛合金具有密度低、耐腐蚀、生物相容性好等优点。广泛应用于航空航天、船舶、石油、医疗器械等国防民用高科技领域。但钛合金硬度低，耐磨性差，使用温度低。当温度达到500℃时，钛金属能与大气中的氧、氮等元素发生强烈反应，并迅速发生脆性破坏。这些缺点极大地限制了钛合金的应用。为了弥补钛合金的缺陷，在钛合金表面制备防护涂层是一种有效的方法。涂层不仅能提高钛合金的表面硬度，而且能有效降低摩擦系数，提高使用温度。

20世纪80年代以来，国内外利用各种激光器在钛合金表面制备出了氮化钛涂层。然而，激光氮化过程复杂，影响参数众多，包括激光工艺参数、试样状态等，目前关于氮化工艺的研究尚处于氮化层的结构和性能分析、工艺优化等阶段，离真正广泛的实际生产应用尚有很大的距离。激光氮化工艺目前面临的主要缺陷就是氮化层易开裂。在激光氮化的Ti-6Al-4V表面上存在两种类型的裂纹：激光熔凝过程中积累的拉伸应力诱变产生的宏观裂纹；与TiN的固有脆性有关的微裂纹。根据裂纹的形成原因，抑制或减少裂纹的有效方法可以分为以下三种：

(1)通过调整工艺参数可获得质量较好的表面氮化层，优化激光工艺参数可减少或消除激光氮化层的开裂。

(2)使用高纯氮气进行保护有助于提高表面硬度及防止表面氧化和污染问题，但却造成了涂层的开裂及裂纹的产生。鉴于这一问题，需要稀释氮气，以制备与基体结合良好又兼顾其性能的复合涂层。

(3)通过不断改进实验设备来进行相应的预处理和后处理，以降低或减少实验中产生的缺陷。

本实用新型中涉及的工艺方法同样体现了上述三种方法。在优化工艺参数的基础上，使用一定比例的氮氩混合气体，同时改进试验装置，将激光氮化技术和传统喷丸技术相结合，制备出无裂纹的氮化层。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置。利用该装置在激光气体氮化时，同步采用高速喷射的弹丸流对尚未完全冷却的氮化层表面进行敲击，使氮化层内部产生残余压应力，以抵消氮化过程中由于受热不均匀产生的热拉应力，改善氮化层内部的应力状态，从而避免氮化层开裂。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的专用装置，包括：激光器、气动式喷丸器和三轴数控机床；气动式喷丸器的喷头垂直固定在三轴数控机床的Z向导轨上，喷嘴离基体表面的距离可通过机床调整；激光器的激光头通过定制夹具与气动式喷丸器的喷头连接并形成夹角α，可以手动调整夹角α大小从而改变光斑位置，夹角α范围为0°～30°；

所述激光器为光纤激光器，光斑直径为4mm；

所述喷丸器为气动喷丸器，喷嘴直径为6mm。

利用本实用新型装置进行钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合的工艺方法，包括：