一种金属玻璃的激光疲劳强化方法转让专利
申请号 : CN201210111105.5
文献号 : CN102618700B
文献日 : 2013-10-23
发明人 : 崔熙贵 , 崔承云 , 程晓农 , 许晓静 , 赵倩
申请人 : 江苏大学
摘要 :
本发明涉及金属玻璃表面处理技术领域，特指一种金属玻璃的激光疲劳强化方法。其主要步骤为：1)将金属玻璃表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；2)采用连续CO2激光器对金属玻璃进行表面热处理，通过调节激光工艺参数来控制处理温度，使表面获得非晶-纳米晶的复合结构；3)在热处理后的金属玻璃表面贴附铝箔；4)以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表面，获得表面强化改性的金属玻璃。本发明集激光热力效应的优点于一体，综合调控金属玻璃表面的微观结构与应力状态，有效强化其疲劳性能。本发明过程简单，适合于大规模批量化生产，可以制备出高抗疲劳性能的金属玻璃。
权利要求 :
1.一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其特征在于：对金属玻璃依次进行激光表面热处理与激光冲击强化，提高金属玻璃的抗疲劳性能，具体步骤为：
1) 将金属玻璃表面打磨抛光并清洗；
2) 采用连续CO2激光器对金属玻璃进行表面热处理，通过调节激光工艺参数来控制处理温度，使表面获得非晶-纳米晶的复合结构；
3) 在热处理后的金属玻璃表面贴附铝箔，作为吸收层；
4) 以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表面，获得表面强化改性的金属玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其特征在于：所述金属玻璃为Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。
3.根据权利要求1所述的一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其特征在于：所述连续CO2激光器热处理的工艺参数为：激光功率100 W-500 W，扫描速度10 mm/s-100 mm/s，光斑直径0.2 mm-2 mm，搭接率10%-50%。
4.根据权利要求1所述的一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其特征在于，所述铝箔的厚度为20 µm-50 µm。
5.根据权利要求1所述的一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其特征在于，所述的激
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光冲击工艺参数为：激光脉宽5 ns-40 ns，功率密度1 GW/cm-5 GW/cm，光斑直径1 mm-3 mm，搭接率10%-90%。
说明书 :
一种金属玻璃的激光疲劳强化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属玻璃表面处理技术领域，特指一种金属玻璃的激光疲劳强化方法。
背景技术
[0002] 金属玻璃是原子排列长程无序而短程有序的非晶金属合金；目前，研究开发的金属玻璃有Zr基、Cu基、Mg基、Pb基、Al基、Fe基等，与晶态合金相比，其具有许多优异的物理化学性质，是具有广泛应用前景的结构或功能材料；作为结构材料，金属玻璃具有高强度、高硬度、高弹性应变极限、高耐磨耐蚀等性能，但较低的抗疲劳性能严重限制了其工程应用。
[0003] 为了提高金属玻璃的抗疲劳性能，人们一直在寻求提高其抗疲劳性能的方法；在金属玻璃中引入第二相最初被认为是提高抗疲劳性能的潜在有效方法，但研究发现，第二相的引入或者提高或者降低其抗疲劳性能，结果各异，最近，Launey等指出第二相的尺度显著影响金属玻璃的抗疲劳性能，当第二相的微观长度尺度与机械裂纹长度尺度相匹配时，抗疲劳性能得到明显提高；此外，仿效晶态材料疲劳性能提高的方法，人们将喷丸的方法引入金属玻璃中，以期获得同样的效果，但研究发现，喷丸并不能显著提高金属玻璃的疲劳性能，这主要是因为变形引起的近表面塑流软化，然而，在截面深度100µm处，硬度达到最大值，出现变形硬化现象，喷丸处理在增大表面残余压应力的同时，增加了自由体积数量，而残余压应力与自由体积数量对金属玻璃疲劳性能的影响是相互竞争的，这也是导致喷丸不能有效提高金属玻璃疲劳性能的原因之一；近期研究发现，表面塑性变形应变率对金属玻璃的疲劳性能也有重要影响，金属玻璃处于亚稳态，在变形过程中其结构易于从高能量的非晶态转变为低能量的晶态，从而析出纳米晶相，纳米晶相能够作为强化相限制剪切带的扩展与增殖，引起应变硬化，这将有效克服金属玻璃的应变软化现象，提高其抗疲劳性能；综合来看，现有抗疲劳方法尚存在许多不足，使金属玻璃的抗疲劳性能得不到有效改善，制约其工程应用。
[0004] 针对上述问题，本发明从表面微结构与应力状态的调控出发，提出激光疲劳强化的新方法，利用激光热与力双重效应，综合调节金属玻璃表面的微观结构与应力状态，使表面的残余应力、自由体积数量和晶相特性三者达到最佳匹配，有效强化其抗疲劳性能，避免现有强化手段单一效应存在的不足，扩大金属玻璃的应用。
发明内容
[0005] 金属玻璃由于优异的力学性能具有广阔的应用前景，但较差的抗疲劳性能严重限制了其工程应用，为使其满足实际应用的需求，必须有效强化其抗疲劳性能，然而，现有强化方法由于单一效应的不足仍不能有效改善金属玻璃的抗疲劳性能，使其应用范围受到限制；本发明的目的是为解决上面的问题，提供一种金属玻璃的激光疲劳强化方法，其通过激光热作用与力效应相结合的复合处理工艺，综合调控金属玻璃表面的微观结构与应力状态，使表面残余应力、自由体积数量和晶态析出相特性达到最佳匹配，从而有效提高其抗疲劳性能。
[0006] 本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光表面热处理与激光冲击强化相结合的复合工艺制备高抗疲劳性能的金属玻璃，获得表面微观结构与应力状态的最佳匹配，进而提高其抗疲劳性能。
[0007] 具体步骤为：
[0008] 1) 将金属玻璃表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
[0009] 2) 采用连续CO2激光器对金属玻璃进行表面热处理，通过调节激光工艺参数来控制处理温
[0010] 度，使表面获得非晶-纳米晶的复合结构；
[0011] 3) 在热处理后的金属玻璃表面贴附铝箔，作为吸收层；
[0012] 4) 以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表面，获得表面
[0013] 强化改性的金属玻璃。
[0014] 所述的金属玻璃为Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。
[0015] 所述的连续CO2激光器热处理工艺参数为：激光功率100 W-500 W，扫描速度10 mm/s-100 mm/s，光斑直径0.2 mm-2 mm，搭接率10%-50%。
[0016] 所述的铝箔厚度为20 µm-50 µm。
[0017] 所述的激光冲击工艺参数为：激光脉宽5 ns-40 ns，功率密度1 GW/cm2-5 GW/cm2，光斑直径1 mm-3 mm，搭接率10%-90%。
[0018] 本发明的优点在于：将金属玻璃进行激光快速表面热处理，能够有效控制表面自由体积的数量和晶相特性，尤其是在减少自由体积的前提下，控制晶相的析出以及晶相尺寸与微观裂纹长度尺度的匹配；此外，与传统退化工艺相比，激光热效应还能够避免金属玻璃整体脆化；在此基础上，激光冲击强化处理能够在金属玻璃表面引入深的残余压应力层，抑制疲劳裂纹的形成与扩展，而且由于其超高压、高应变率的特点，易于引起表面局部高能率塑性变形，并进一步诱导表面晶相的析出，产生形变强化与析出强化的双重作用，这都是喷丸处理所不能比拟的；再者，其非接触性也可以避免喷丸因污染金属玻璃表面而对疲劳性能产生的损害作用；因此，本发明可以通过热与力的双重效应综合而有效地调节金属玻璃表面残余应力、自由体积数量和晶相特性，使三者达到最佳匹配，进而有效强化其抗疲劳性能，制备出高抗疲劳性能的金属玻璃，避免现有强化手段单一效应存在的不足，从而推动并扩大了其实际应用。此工艺过程简单，适合于大规模批量化生产。
具体实施方式
[0019] 本发明中高抗疲劳性能的金属玻璃是通过激光表面热处理与激光冲击强化相结合的复合工艺制备而成；首先将金属玻璃表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗干净，然后采用连续CO2激光器对金属玻璃进行表面热处理，通过调节激光工艺参数来控制表面自由体积数量与晶相特性，最后将铝箔贴附在热处理后的金属玻璃表面，用纳秒脉冲激光器冲击金属玻璃表面，获得表面强化改性的金属玻璃；采用该发明处理的金属玻璃，表面微观结构与应力状态达到最佳匹配，疲劳性能得到显著的强化，推动了其在实际中的应用。
[0020] 实施例1
[0021] 1) 将金属玻璃Zr44Ti11Ni10Cu10Be25表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
[0022] 2) 采用连续CO2激光器对金属玻璃Zr44Ti11Ni10Cu10Be25进行表面热处理，激光工艺参数为：激光功率200 W，扫描速度30 mm/s，光斑直径0.2 mm，搭接率20%，使表面形成非晶-纳米晶复合结构；
[0023] 3) 在热处理后的金属玻璃表面贴附50 µm铝箔，作为吸收层；
[0024] 4) 以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表2
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽40 ns，功率密度3 GW/cm，光斑直径2 mm，搭接率20%，获得表面强化改性的金属玻璃。
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽40 ns，功率密度3 GW/cm，光斑直径2 mm，搭接率20%，获得表面强化改性的金属玻璃。
[0025] 采用四点弯曲试验测定处理前与处理后金属玻璃Zr44Ti11Ni10Cu10Be25的疲劳强度，测得处理前金属玻璃的疲劳强度为420MPa，处理后其疲劳强度为503MPa，可见采用本发明处理后，金属玻璃的疲劳性能得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高抗疲劳性能的金属玻璃。
[0026] 实施例2
[0027] 1) 将金属玻璃Ti42Zr3Hf4Cu42.5Ni7.5Si1表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
[0028] 2) 采用连续CO2激光器对金属玻璃Ti42Zr3Hf4Cu42.5Ni7.5Si1进行表面热处理，激光工艺参数为：激光功率100W，扫描速度10mm/s，光斑直径1mm，搭接10%，使表面形成非晶-纳米晶复合结构；
[0029] 3) 在热处理后的金属玻璃表面贴附20µm铝箔，作为吸收层；
[0030] 4) 以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表2
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽10ns，功率密度1GW/cm，光斑直径1mm，搭接率30%，获得表面强化改性的金属玻璃。
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽10ns，功率密度1GW/cm，光斑直径1mm，搭接率30%，获得表面强化改性的金属玻璃。
[0031] 采用四点弯曲试验测定处理前与处理后金属玻璃Ti42Zr3Hf4Cu42.5Ni7.5Si1的疲劳强度，测得处理前金属玻璃的疲劳强度为1560MPa，处理后其疲劳强度为1720MPa，可见采用本发明处理后，金属玻璃的疲劳性能得到显著提高，因此采用本发明可以制备出高抗疲劳性能的金属玻璃。
[0032] 实施例3
[0033] 1) 将金属玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
[0034] 2) 采用连续CO2激光器对金属玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6进行表面热处理，激光工艺参数为：激光功率500W，扫描速度100mm/s，光斑直径0.5mm，搭接率50%，使表面形成非晶-纳米晶复合结构；
[0035] 3) 在热处理后的金属玻璃表面贴附30µm铝箔，作为吸收层；
[0036] 4) 以流水为约束层，采用Nd:Glass纳秒脉冲激光器冲击贴附铝箔的金属玻璃表2
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽5ns，功率密度2GW/cm，光斑直径3mm，搭接率10%，获得表面强化改性的金属玻璃。
面，激光冲击工艺参数为：激光脉宽5ns，功率密度2GW/cm，光斑直径3mm，搭接率10%，获得表面强化改性的金属玻璃。
[0037] 采用四点弯曲试验测定处理前与处理后金属玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6的疲劳强度，测得处理前金属玻璃的疲劳强度为679MPa，处理后其疲劳强度为752MPa，可见采用本发明处理后，金属玻璃的疲劳性能得到显著提高，因此采用本发明可以制备出高抗疲劳性能的金属玻璃。