專利名稱：一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬玻璃表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特指一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法。
背景技術(shù)：
金屬玻璃是原子排列長(zhǎng)程無序而短程有序的非晶金屬合金；目前，研究開發(fā)的金屬玻璃有Zr基、Cu基、Mg基、Pb基、Al基、Fe基等，與晶態(tài)合金相比，其具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，是具有廣泛應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)或功能材料；作為結(jié)構(gòu)材料，金屬玻璃具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性應(yīng)變極限、高耐磨耐蝕等性能，但較低的抗疲勞性能嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用。為了提高金屬玻璃的抗疲勞性能，人們一直在尋求提高其抗疲勞性能的方法；在金屬玻璃中引入第二相最初被認(rèn)為是提高抗疲勞性能的潛在有效方法，但研究發(fā)現(xiàn)，第二相的引入或者提高或者降低其抗疲勞性能，結(jié)果各異，最近，Launey等指出第二相的尺度顯著影響金屬玻璃的抗疲勞性能，當(dāng)?shù)诙嗟奈⒂^長(zhǎng)度尺度與機(jī)械裂紋長(zhǎng)度尺度相匹配時(shí)，抗疲勞性能得到明顯提高；此外，仿效晶態(tài)材料疲勞性能提高的方法，人們將噴丸的方法引入金屬玻璃中，以期獲得同樣的效果，但研究發(fā)現(xiàn)，噴丸并不能顯著提高金屬玻璃的疲勞性能，這主要是因?yàn)樽冃我鸬慕砻嫠芰鬈浕?，然而，在截面深度IOOMffl處，硬度達(dá)到最大值，出現(xiàn)變形硬化現(xiàn)象，噴丸處理在增大表面殘余壓應(yīng)力的同時(shí)，增加了自由體積數(shù)量，而殘余壓應(yīng)力與自由體積數(shù)量對(duì)金屬玻璃疲勞性能的影響是相互競(jìng)爭(zhēng)的，這也是導(dǎo)致噴丸不能有效提高金屬玻璃疲勞性能的原因之一；近期研究發(fā)現(xiàn)，表面塑性變形應(yīng)變率對(duì)金屬玻璃的疲勞性能也有重要影響，金屬玻璃處于亞穩(wěn)態(tài)，在變形過程中其結(jié)構(gòu)易于從高能量的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰康木B(tài)，從而析出納米晶相，納米晶相能夠作為強(qiáng)化相限制剪切帶的擴(kuò)展與增殖，引起應(yīng)變硬化，這將有效克服金屬玻璃的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，提高其抗疲勞性能；綜合來看，現(xiàn)有抗疲勞方法尚存在許多不足，使金屬玻璃的抗疲勞性能得不到有效改善，制約其工程應(yīng)用。針對(duì)上述問題，本發(fā)明從表面微結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)控出發(fā)，提出激光疲勞強(qiáng)化的新方法，利用激光熱與力雙重效應(yīng)，綜合調(diào)節(jié)金屬玻璃表面的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，使表面的殘余應(yīng)力、自由體積數(shù)量和晶相特性三者達(dá)到最佳匹配，有效強(qiáng)化其抗疲勞性能，避免現(xiàn)有強(qiáng)化手段單一效應(yīng)存在的不足，擴(kuò)大金屬玻璃的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
金屬玻璃由于優(yōu)異的力學(xué)性能具有廣闊的應(yīng)用前景，但較差的抗疲勞性能嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用，為使其滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，必須有效強(qiáng)化其抗疲勞性能，然而，現(xiàn)有強(qiáng)化方法由于單一效應(yīng)的不足仍不能有效改善金屬玻璃的抗疲勞性能，使其應(yīng)用范圍受到限制；本發(fā)明的目的是為解決上面的問題，提供一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其通過激光熱作用與力效應(yīng)相結(jié)合的復(fù)合處理工藝，綜合調(diào)控金屬玻璃表面的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，使表面殘余應(yīng)力、自由體積數(shù)量和晶態(tài)析出相特性達(dá)到最佳匹配，從而有效提高其抗疲勞性能。本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是采用激光表面熱處理與激光沖擊強(qiáng)化相結(jié)合的復(fù)合工藝制備高抗疲勞性能的金屬玻璃，獲得表面微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)的最佳匹配，進(jìn)而提高其抗疲勞性能。具體步驟為 1)將金屬玻璃表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃進(jìn)行表面熱處理，通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)來控制處
理溫
度，使表面獲得非晶-納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，獲得表面
強(qiáng)化改性的金屬玻璃。所述的金屬玻璃為Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。所述的連續(xù)CO2激光器熱處理工藝參數(shù)為激光功率100 W-500 W，掃描速度10mm/s-1 PO mm/s,光斑直徑 O. 2 mm-2 mm,搭接率 10%_50%。所述的鋁箔厚度為20 Mm-50 Mm。所述的激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬5 ns-40 ns，功率密度I GW/cm2-5 GW/cm2,光斑直徑I臟_3 mm,搭接率10%_90%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將金屬玻璃進(jìn)行激光快速表面熱處理，能夠有效控制表面自由體積的數(shù)量和晶相特性，尤其是在減少自由體積的前提下，控制晶相的析出以及晶相尺寸與微觀裂紋長(zhǎng)度尺度的匹配；此外，與傳統(tǒng)退化工藝相比，激光熱效應(yīng)還能夠避免金屬玻璃整體脆化；在此基礎(chǔ)上，激光沖擊強(qiáng)化處理能夠在金屬玻璃表面引入深的殘余壓應(yīng)力層，抑制疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，而且由于其超高壓、高應(yīng)變率的特點(diǎn)，易于引起表面局部高能率塑性變形，并進(jìn)一步誘導(dǎo)表面晶相的析出，產(chǎn)生形變強(qiáng)化與析出強(qiáng)化的雙重作用，這都是噴丸處理所不能比擬的；再者，其非接觸性也可以避免噴丸因污染金屬玻璃表面而對(duì)疲勞性能產(chǎn)生的損害作用；因此，本發(fā)明可以通過熱與力的雙重效應(yīng)綜合而有效地調(diào)節(jié)金屬玻璃表面殘余應(yīng)力、自由體積數(shù)量和晶相特性，使三者達(dá)到最佳匹配，進(jìn)而有效強(qiáng)化其抗疲勞性能，制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃，避免現(xiàn)有強(qiáng)化手段單一效應(yīng)存在的不足，從而推動(dòng)并擴(kuò)大了其實(shí)際應(yīng)用。此工藝過程簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中高抗疲勞性能的金屬玻璃是通過激光表面熱處理與激光沖擊強(qiáng)化相結(jié)合的復(fù)合工藝制備而成；首先將金屬玻璃表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗干凈，然后采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃進(jìn)行表面熱處理，通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)來控制表面自由體積數(shù)量與晶相特性，最后將鋁箔貼附在熱處理后的金屬玻璃表面，用納秒脈沖激光器沖擊金屬玻璃表面，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃；采用該發(fā)明處理的金屬玻璃，表面微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到最佳匹配，疲勞性能得到顯著的強(qiáng)化，推動(dòng)了其在實(shí)際中的應(yīng)用。
實(shí)施例I1)將金屬玻璃Zr44Ti11NiltlCultlBe25表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃21'441111祖1(|(111#%5進(jìn)行表面熱處理，激光工藝參數(shù)為激光功率200 W，掃描速度30 mm/s，光斑直徑O. 2 mm，搭接率20%，使表面形成非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附50Mffl鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬40 ns，功率密度3 GW/cm2，光斑直徑2 mm，搭接率20%，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定處理前與處理后金屬玻璃Zr44Ti11NiiciCultlBe25的疲勞強(qiáng)度，測(cè)得處理前金屬玻璃的疲勞強(qiáng)度為420MPa，處理后其疲勞強(qiáng)度為503MPa，可見采用本發(fā)明處理后，金屬玻璃的疲勞性能得到顯著提高。因此采用本發(fā)明可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。實(shí)施例2
1)將金屬玻璃Ti42Zr3Hf4Cu4I5NiuSi1表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃Ti42Zr3Hf4Cu4I5N^5Si1進(jìn)行表面熱處理，激光工藝參數(shù)為激光功率100W，掃描速度lOmm/s，光斑直徑1mm，搭接10%，使表面形成非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附20Mm鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬10ns，功率密度lGW/cm2，光斑直徑1mm，搭接率30%，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定處理前與處理后金屬玻璃Ti42Zr3Hf4Cu4I5NiuSi1的疲勞強(qiáng)度，測(cè)得處理前金屬玻璃的疲勞強(qiáng)度為1560MPa，處理后其疲勞強(qiáng)度為1720MPa，可見采用本發(fā)明處理后，金屬玻璃的疲勞性能得到顯著提高，因此采用本發(fā)明可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。實(shí)施例3
1)將金屬玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6進(jìn)行表面熱處理，激光工藝參數(shù)為激光功率500W，掃描速度lOOmm/s，光斑直徑O. 5mm,搭接率50%，使表面形成非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附30Mm鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬5ns，功率密度2GW/cm2，光斑直徑3mm，搭接率10%，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定處理前與處理后金屬玻璃Fe43Co5Cr15Mo14Er2C15B6的疲勞強(qiáng)度，測(cè)得處理前金屬玻璃的疲勞強(qiáng)度為679MPa，處理后其疲勞強(qiáng)度為752MPa，可見采用本發(fā)明處理后，金屬玻璃的疲勞性能得到顯著提高，因此采用本發(fā)明可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。
實(shí)施例4 1)將金屬玻璃Al88.5Ni8Y2Lai.5表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃Al88.5Ni8Y2Lai.5進(jìn)行表面熱處理，激光工藝參數(shù)為激光功率400W，掃描速度70mm/s，光斑直徑2mm，搭接率30%，使表面形成非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附45ΜΠ1鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬20ns，功率密度4 GW/cm2,光斑直徑3mm，搭接率90%，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定處理前與處理后金屬玻璃Al88.^i8Y2La1.5的疲勞強(qiáng)度，測(cè)得處理前金屬玻璃的疲勞強(qiáng)度為280MPa，處理后其疲勞強(qiáng)度為330MPa，可見采用本發(fā)明處理后，金屬玻璃的疲勞性能得到顯著提高，因此采用本發(fā)明可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。實(shí)施例5
1)將金屬玻璃Cu47.5Zr47.5Al5表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；
2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃Cu47.5Zr47.5Al5進(jìn)行表面熱處理，激光工藝參數(shù)為激光功率300W，掃描速度50mm/s，光斑直徑I. 5mm,搭接率40%，使表面形成非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；
3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附35ΜΠ1鋁箔，作為吸收層；
4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬30ns，功率密度5GW/cm2，光斑直徑2. 5mm,搭接率50%，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定處理前與處理后金屬玻璃Cu47.5Zr47.5Al5的疲勞強(qiáng)度，測(cè)得處理前金屬玻璃的疲勞強(qiáng)度為221MPa，處理后其疲勞強(qiáng)度為265MPa，可見采用本發(fā)明處理后，金屬玻璃的疲勞性能得到顯著提高，因此采用本發(fā)明可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。
權(quán)利要求
1.一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其特征在于對(duì)金屬玻璃依次進(jìn)行激光 表面熱處理與激光沖擊強(qiáng)化，提高金屬玻璃的抗疲勞性能，具體步驟為 1)將金屬玻璃表面打磨拋光并清洗； 2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃進(jìn)行表面熱處理，通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù) 來控制處理溫度，使表面獲得非晶-納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)； 3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附鋁箔，作為吸收層； 4)以流水為約束層，采用NchGlass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃 表面，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其特征在于所述 金屬玻璃為Zr基、Al基、Cu基、Ti基、Mg基、Fe基或Pb基非晶合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其特征在于所述連續(xù)CO2激光器熱處理的工藝參數(shù)為激光功率100 W-500 W，掃描速度10 mm/s-100 mm/s，光斑直徑 O. 2 mm-2 _，搭接率 10%_50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其特征在于，所述鋁箔的厚度為20 Mm-50 Mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的激光沖擊工藝參數(shù)為激光脈寬5 ns-40 ns，功率密度I GW/cm2_5 GW/cm2，光斑直徑I mm_3臟，搭接率10%-90%。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬玻璃表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特指一種金屬玻璃的激光疲勞強(qiáng)化方法。其主要步驟為1)將金屬玻璃表面用砂紙打磨拋光，并用酒精清洗表面；2)采用連續(xù)CO2激光器對(duì)金屬玻璃進(jìn)行表面熱處理，通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)來控制處理溫度，使表面獲得非晶-納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)；3)在熱處理后的金屬玻璃表面貼附鋁箔；4)以流水為約束層，采用Nd:Glass納秒脈沖激光器沖擊貼附鋁箔的金屬玻璃表面，獲得表面強(qiáng)化改性的金屬玻璃。本發(fā)明集激光熱力效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)于一體，綜合調(diào)控金屬玻璃表面的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，有效強(qiáng)化其疲勞性能。本發(fā)明過程簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)，可以制備出高抗疲勞性能的金屬玻璃。
文檔編號(hào)C23C26/02GK102618700SQ20121011110
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者崔承云, 崔熙貴, 程曉農(nóng), 許曉靜, 趙倩 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)