一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法

本发明涉及单晶高温合金，具体涉及一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，冲击强化后的单晶高温合金适用于航空航天领域中的航空发动机叶片/涡轮盘、舰船燃气轮机等结构件。

背景技术：

1、单晶高温合金的组织是由合金化的γ基体和与其共格的高体积分数的γ′强化相组成，合金的强化方式主要是固溶强化和第二相强化。该合金成分简单、密度较低，具有高的蠕变强度和抗疲劳性能、良好的单晶铸造性能、较宽的固溶处理温度范围，并具有良好的组织稳定性和涂层性能。单晶合金已广泛被应用于航空发动机燃气涡轮转子叶片、导向叶片等高温部件。由于高温部件工作环境极为恶劣，且受复合力和高频振动作用，导致部件易产生疲劳断裂，在实际应用中容易造成不可估量的损失。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，该方法能够有效提高单晶高温合金结构件的疲劳寿命，且操作简单，成本低，强化效果显著。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，该方法是采用激光冲击强化技术对单晶高温合金试样进行处理，该方法具体包括如下步骤：

4、(1)试样加工表面涂覆吸收层：在洁净间中，在试样的待加工端面上覆盖厚度为80-150μm的吸收层，所述吸收层为黑色胶带；涂覆吸收层以防止激光烧蚀试样表面。

5、(2)施加约束层：将涂覆有吸收层的试样安装在工作平台上，在吸收层上施加一层厚度为1-3mm的透明约束层，所述透明约束层为去离子水；约束层用来约束产生的等离子冲击波，增强诱导的冲击波对试样的冲击力。

6、(3)激光预冲击处理：将试样的加工端面朝向激光束，以激光波长为532nm或1064nm、脉冲宽度为5-20ns、激光能量为1-5j、光斑直径为0.5-3mm的激光束进行预冲击处理，其中激光冲击为单点冲击，冲击1-2次；

7、(4)激光冲击处理：预冲击处理后，以激光波长为532nm或1064nm、脉冲宽度为5-20ns、激光能量为2-10j、光斑直径为0.5-3mm的激光束进行冲击处理，其中激光冲击为单点冲击，冲击2-4次。

8、该方法中，在试样加工端面涂覆吸收层之前，对试样加工表面进行预处理，预处理过程：将试样放入装有20-24℃去离子水的超声清洗机中，在超声频率为38-47khz条件下，清洗10-12min；使用0.4-0.8mpa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在80℃条件下干燥15min。对单晶合金试样加工端面冲击处理前清洗的目的是为保证试样上没有残留有机物质和前期切削的碎屑；干燥的目的是为后续吸收层的粘贴或涂覆做准备，提高吸收层与试样待加工表面的贴合力。

9、该方法中，在对试样进行激光冲击处理后，对试样表面进行清洗，清洗过程为：先去除冲击处理后试样加工表面涂覆的吸收层，然后将试样放入装有温度为20-24℃、浓度为75-95vol.％的酒精的超声清洗机中，在超声频率为38-47khz条件下清洗15-20min，然后使用去离子水冲洗2-4min，最后用干燥的氮气吹干。

10、该方法中，步骤(4)进行冲击处理时的激光能量和冲击次数均为步骤(3)进行预冲击处理时的2倍。

11、上述步骤(1)中，吸收层以粘贴或涂覆的方式覆盖于试样待加工表面上，要求厚度均匀，且与试样表面之间无气泡。

12、上述步骤(2)中，施加的透明约束层是等离子水，要求约束层洁净透明、厚度均匀，且与吸收层之间贴合紧密。

13、本发明所述的洁净间为万级洁净间(又称为无尘室或清净室)，根据gb/t16292-1996，空气洁净度分级标准如表1所示：

14、表1 gb/t16292-1996中空气洁净度分级标准

15、

16、为改善单晶合金的力学性能，提升其疲劳寿命，本发明提出激光冲击单晶合金延寿技术。激光冲击单晶合金延寿技术是利用短脉冲、高功率密度的激光辐照在涂覆吸收层的金属表面，使吸收层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，气化蒸发生成的高温(＞107k)、高压(＞1gpa)等离子体继续吸收激光能量，进而产生高达几十gpa的高温高压等离子团；该等离子团在约束层的限制下发生爆炸产生gpa量级的高压冲击波，形成的高压冲击波向金属内部传播；由于冲击波的力效应，使材料表层发生塑性变形以及微观组织改变，并且产生较大的残余压应力，从而有效改善金属防应力腐蚀、耐磨损和抗疲劳等性能。针对单晶合金材料，需要建立与之适应的工艺参数体系，各工艺参数之间产生协同作用以获得高硬度及残余应力的单晶合金试样。

17、本发明有益效果如下：

18、1、本发明方法在单晶合金试样表面覆盖吸收层吸收激光能量防止激光灼伤金属材料表面：将涂有吸收层的试样安装在工作平台上，并在吸收层上施加一层约束层约束激光冲击波进而增加冲击力；根据上述步骤(4)进行冲击处理，接着去除试样表面涂覆的吸收层，最后利用去离子水清洗后用干燥的氮气吹干；使用白光干涉仪、x射线应力分析仪等测试仪器来测量冲击区域。采用本发明激光冲击强化方法，试样表面冲击区域会形成直径略小于光斑直径的圆形凹坑；

19、2、采用本发明激光冲击强化方法，单晶合金试样表面显微硬度可提高28.1％以上；

20、3、采用本发明激光冲击强化方法，单晶合金试样表面残余应力可提高445mpa以上；

21、4、采用本发明激光冲击强化方法，单晶合金试样表面产生硬化效应及细化晶粒，可有效延缓微裂纹的萌生和扩展，极大提高了合金的使用寿命。

技术特征：

1.一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：该方法是采用激光冲击强化技术对镍基沉淀硬化型单晶高温合金试样进行表面强化处理，该方法具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：在试样加工端面涂覆吸收层之前，对试样加工表面进行预处理，预处理过程：将试样放入装有20-24℃去离子水的超声清洗机中，在超声频率为38-47khz条件下，清洗10-12min；使用0.4-0.8mpa的干燥氮气吹干，然后放入干燥箱中，在80℃下干燥15min。

3.根据权利要求1所述的镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于，在对试样冲击处理后，对加工表面进行清洗，清洗过程为：先去除冲击处理后试样加工表面涂覆的吸收层，然后将试样放入装有温度为20-24℃、浓度为75-95％的酒精的超声清洗机中，在超声频率为38-47khz条件下清洗15-20min，然后使用去离子水冲洗2-4min，最后用干燥的氮气吹干。

4.根据权利要求1所述的镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：涂覆的吸收层厚度要求均匀，吸收层与试样表面之间无气泡；去离水约束层要求洁净透明、厚度均匀，且与吸收层之间贴合紧密。

5.根据权利要求1所述的镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(4)进行冲击处理时的激光能量和冲击次数均为步骤(3)进行预冲击处理时的2倍。

技术总结
本发明公开了一种镍基沉淀硬化型单晶高温合金的激光冲击强化方法，属于单晶高温合金技术领域。该方法首先在试样表面涂覆吸收层及施加约束层；接着用激光波长532nm或1064nm、脉冲宽度5‑20ns、激光能量2‑10J、光斑直径0.5‑3mm的激光束对试样表面进行预冲击处理和冲击处理；最后去除吸收层。本发明方法处理的镍基沉淀硬化型单晶高温合金试样表面形成圆形凹坑，冲击区域的显微硬度HV从基体的398最高可增加到510，表面残余压应力从基体的497MPa最高可增加到942MPa，产生的表面强化效果，可显著抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，并且工艺简单、效率高、无污染。

技术研发人员：赵吉宾,陆莹,乔红超,孙博宇,胡宪亮
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12