本發明涉及一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，尤其是涉及一種利用短脈沖激光直接重熔金屬表面達到硬化效果的方法。可將該方法廣泛應用于金屬零件的表面處理，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。

背景技術：

激光硬化表面處理技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的問世而發展起來的一項重大高新技術，國內外對此已進行了大量研究。該技術主要用于強化零件表面，以提高金屬材料及零件的表面硬度，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。激光硬化可大幅提高產品質量，并成倍延長其使用壽命，具有顯著的經濟效益。激光器主要由能源、激活物媒質和諧振器組成。目前激光表面強化常用的三種激光器為CO₂激光器、YAG激光器和準分子激光器。CO₂激光器用于黑色金屬大面積零件的表面強化處理，而YAG激光器則多用于有色金屬或小面積零件的表面處理。準分子激光器是繼CO₂、YAG激光器之后的第三代材料表面強化用激光器，所發射激光的波長很短(為YAG激光器的1/5和CO₂激光器的1/50)，大多數材料對其吸收率特別高，從而可有效吸收該激光能量。激光硬化過程激光束與材料的交互作用根據輻射密度與持續時間分為以下幾個階段：(1)激光照射到材料表面；(2)激光被材料吸收變為熱能；(3)表層材料受熱升溫；(4)材料表面發生固態轉變，熔化甚至蒸發；(5)材料在激光作用后冷卻。

激光熔凝硬化是以具有高功率密度(10⁵～10⁷W/cm²)的激光，在極短的時間內與金屬交互作用，使金屬表面局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度而熔化，隨后借助于冷態金屬基體的吸熱和傳導作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固，產生新的表面層。該技術具有以下優點：(1)表面熔化時一般可添加超硬耐磨金屬元素或化學元素，且熔凝層與材料基體形成冶金結合；(2)激光熔凝過程可排除雜質和氣體，同時急冷重結晶獲得的雜質有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性；(3)熔層薄、熱作用區小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大，有時可不再進行后續磨光而直接使用；(4)可提高溶質原子在基體中的固溶度極限，使晶粒及第二相質點超細化，形成的亞穩相可獲得無擴散的單一晶體結構甚至非晶態，從而使生成的新型合金獲得用傳統方法所不能得到的優良性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種短脈沖激光金屬表面硬化方法。該方法可廣泛應用于金屬零件的表面處理，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。

本發明一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，流程如圖1所示，主要包括如下步驟：

(1)對金屬材料表面依次進行化學清洗去油，砂輪打磨去氧化層，打磨后清洗；

(2)將步驟(1)清洗后的金屬材料置于納秒激光加工系統的工作臺上，設定激光參數，啟動激光加工系統，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得重熔層；

(3)對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料可以為鈦合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟(2)中設定的激光參數為：激光波長為193nm-1070nm，激光脈寬為50ns-800ns，激光功率為10W-100W，激光脈沖頻率為1kHz-1MHz；

其中，步驟(2)中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s-3m/s。

本發明公開的一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，開辟了一種新的金屬表面激光硬化方法，相對于滲碳、氮化、硬質陽極氧化、鍍鉻、表面淬火等傳統表面硬化方法及現有的激光金屬表面硬化方法，利用激光使金屬表面局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度而熔化，隨后借助于冷態金屬基體的吸熱和傳導作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固，產生新的表面層，相比于現有的模板法納米孔陣列加工工藝，本發明的優點在于：

(1)：該方法利用激光直寫系統，可以通過改變激光參數如頻率、掃描速度、功率對金屬表面熔凝深度、面積等進行精確控制，能得到加工精度和加工范圍遠大于現有的強化工藝。

(2)：該方法利用激光直寫系統，硬化基于材料熔化及凝固，不需要額外添加強化材料，綠色環保，被處理材料本身不發生化學變化，可應用于多種金屬材料。

(3)：該方法可以實現加工區域的任意設定，相比于滲碳、氮化、硬質陽極氧化、鍍鉻、表面淬火等整體加工工藝更加靈活。

(4)：該方法加工速度更快，有望在實際生產中提高生產效率。

(5)：相對于現有的激光金屬表面硬化方法，本發明使用較小功率的短脈沖激光，對重熔層金屬外的基體材料熱影響很小，有助于保持金屬基體性能不變。

附圖說明：

圖1所示為本發明方法流程圖。

圖2所示為激光加工系統示意圖。

圖3所示為激光加工后鈦合金表面縱截面。

具體實施方式：

下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。

如圖所示，本發明公開的一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：

1.對金屬材料表面依次進行化學清洗去油，砂輪打磨去氧化層，打磨后清洗；

2.將步驟1中清洗后金屬材料置于納秒激光加工系統的工作臺上，設定激光參數，啟動激光加工系統，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得重熔層；

3.對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料可以為鈦合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟2中設定的激光參數為：激光波長為193nm-1070nm，激光脈寬為50ns-800ns，激光功率為10W-100W，激光脈沖頻率為1kHz-1MHz；

其中，步驟2中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s-3m/s。

實施例1：

(1)：取10mm厚度的TC4鈦合金塊，置于無水酒精中清洗。

(2)：將樣品置于如圖2所示的SPI公司的納秒激光加工系統(使用1060nm波長的CO₂激光器)的工作臺上，設置激光功率為20W，頻率為500KHz，掃描速度為200mm/s，設置掃描區域大小為15mm×15mm，啟動激光加工系統開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。

如圖3所示為實施例1加工后所得TC4鈦合金近表面的縱截面金相，由圖所示，經短脈沖激光處理后金屬表面有厚度約170μm的重熔層，重熔層顯示出了于基體不同的金相形態，經硬度測試，重熔層維氏硬度約為497HV，遠高于基體硬度的286HV。

實施例2：

(1)：取10mm厚度的TC11鈦合金塊，置于無水酒精中清洗。

(2)：將樣品置于如圖2所示的SPI公司的納秒激光加工系統(使用1060nm波長的CO₂激光器)的工作臺上，設置激光功率為40W，頻率為500KHz，掃描速度為200mm/s，設置掃描區域大小為15mm×15mm，啟動激光加工系統開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。

本發明方案所公開的技術手段不僅限于上述技術手段所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。