阅读说明：本技术 一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法 (Method for micro-molding surface of gray cast iron member by laser impact ) 是由 樊玉杰 姚康林 周元凯 苏宇 刘志强 夏晶 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法,利用脉冲激光器发射激光束,通过反射镜转为纵向光路,透过聚焦透镜,穿过约束层水,作用于能量吸收层铝箔上,并吸收激光能量迅速发生等离子体气化,形成等离子团,在约束层的作用下,等离子团发生爆炸产生冲击波,并向灰铸铁材料内部传播,冲击波压力远大于灰铸铁的动态屈服强度,片状石墨分散演化呈球形团状,铁素体晶粒被细化,割裂成较小的亚晶粒,且灰铸铁表面产生塑性形变及位错滑移,形成凹坑,缓解磨粒磨损和粘着磨损,高温时磨损表面主要为Fe<Sub>3</Sub>O<Sub>4</Sub>、Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>以及较多的渗碳体,形成面积较大的不连续氧化膜,避免摩擦副的直接接触,提高材料的抗磨损性能。(The invention provides a method for laser impact of gray cast iron member surface micro-modeling, which utilizes a pulse laser to emit laser beams, the laser beams are converted into a longitudinal light path through a reflector, pass through a focusing lens, pass through a constraint layer water, act on an energy absorption layer aluminum foil, absorb laser energy and rapidly generate plasma gasification to form plasma clusters, under the action of the constraint layer, the plasma clusters are exploded to generate shock waves and are transmitted to the interior of a gray cast iron material, the shock wave pressure is far greater than the dynamic yield strength of gray cast iron, flake graphite is dispersed and evolved into spherical clusters, ferrite grains are refined and cut into smaller sub-grains, the surface of the gray cast iron generates plastic deformation and dislocation slippage to form pits, and the abrasive grains are relievedWear and adhesive wear, the wear surface being predominantly Fe at high temperatures 3 O 4 、Fe 2 O 3 And more cementite to form a discontinuous oxide film with a larger area, thereby avoiding the direct contact of a friction pair and improving the wear resistance of the material.)

一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法

技术领域

本发明涉及一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

灰铸铁是现代制造业中的一种重要金属材料，因具有良好的自润性、减振性和低成本特性而广泛应用于导轨、刹车盘等摩擦副构件，但在使用过程中会逐渐磨损，主要磨损失效形式为粘着磨损和磨粒磨损，高温磨损表面主要为铁的氧化物Fe₃O₄、Fe₂O₃、FeO和渗碳体，摩擦面由氧化磨损转变为粘着磨损，进而磨损剧烈。

改善灰铸铁构件的磨损性能主要采用冶炼工艺、材料组分等优化设计和热喷涂、激光熔覆等复合涂层技术，如申请号为201721662689.X的发明专利提供了一种高散热耐磨损汽车刹车盘，通过在灰铸铁表面设置涂层来提高刹车盘的耐磨、耐高温性能，成本较高，且制作工艺复杂。本发明提供一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法，利用高功率、短脉冲激光束通过约束层后与涂层相互作用产生远大于灰铸铁材料动态屈服强度的高压冲击波，从而内部出现亚晶界，片状石墨分散演化呈球形团状，铁素体晶粒细化，分割成亚晶粒，且材料表面产生塑性形变，形成凹坑，降低摩擦副的粘着磨损和磨粒磨损的程度，具有非接触式、可控性好、效率高、无污染等优点。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的不足，并响应绿色、环保、可持续发展的国家政策，提供一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法，增加灰铸铁构件的抗磨损性能，有效提高摩擦副构件的使用寿命。

为实现上述目的，本发明是利用激光器发射激光束，通过反射镜将横向光路转为纵向光路，透过聚焦透镜，穿过约束层水，聚焦于能量吸收层铝箔上，向灰铸铁材料内部传递冲击波进行强化，冲击波压力远大于灰铸铁的动态屈服强度，从而内部出现亚晶界，片状石墨分散演化呈球形团状分布，铁素体晶粒细化，分割成亚晶粒，且材料表面产生塑性形变，形成凹坑；通过控制数控工作台的运动，在摩擦副构件上加工出阵列式凹坑。

本发明的一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法，具体包括以下步骤：

第一步，对灰铸铁构件进行表面预处理，将灰铸铁构件表面依次用600#-1500#的SiC砂纸打磨，在抛光机上抛光至表面粗糙度Ra≤0.05，随后放置于盛有乙醇的超声波清洗机内清洗15-20min，放入温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；

第二步，在灰铸铁构件的表面贴附一层0.8-0.1mm厚的铝箔作为能量吸收层，在能量吸收层铝箔上设有1-2mm厚的水作为约束层；

第三步，将贴附铝箔的灰铸铁构件通过夹具固定，安装于数控工作台上；

第四步，开启脉冲激光器，其波长为1064/532/355nm，脉冲宽度为8ns，重复率1-10Hz，光束发散角≤0.5mrad，能量稳定性≤±1％；设置激光冲击工艺参数：激光能量为0-2J，光斑直径为0.4-1mm；通过控制数控工作台运动调整灰铸铁构件的位置，利用激光器在灰铸铁构件表面加工出阵列式半椭球形凹坑，其直径D为0.4-1mm，深度H为0.01-0.1mm，间距L为1-1.5mm，位错W为0.5D-D，凹坑绕圆环排列的转角为10°-15°；

第五步，加工完成，取下灰铸铁构件，去除表面贴附的能量吸收层铝箔，并用装有乙醇的超声波清洗机进行清洗15-20min，在温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min。

本发明的一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明是通过短脉冲、高功率的强激光作用于灰铸铁构件表面，覆盖在表面上的吸收层铝箔吸收激光能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子而发生***，并产生动量脉冲，由于约束层等离子水的作用，动量脉冲向材料内部传播强冲击波，在灰铸铁构件表面产生高幅残余压应力，内部出现亚晶界，片状石墨分散演化呈球形团状分布，铁素体晶粒细化，分割成亚晶粒，提高材料的抗磨损能力。

(2)本发明利用激光冲击强化技术加工凹坑，可储存微小磨粒，减小磨粒磨损；同时，凹坑也有助于抑制粘着磨损，提高灰铸铁构件的抗磨损性能。

(3)本发明利用激光冲击强化技术加工的灰铸铁构件，在高温条件下工作时，磨损表面主要为铁的氧化物Fe₃O₄、Fe₂O₃以及较多的渗碳体，更易于在机械应力和热应力的循环载荷下软化并压实，形成面积较大的不连续氧化膜，避免摩擦副的直接接触，降低灰铸铁摩擦副构件的磨损。

(4)本发明的方法具有非接触式、可控性好、效率高、无污染、绿色环保等优点。

附图说明

图1为本发明的激光冲击加工装置示意图。

图2为本发明的激光冲击原理示意图。

图3为本发明加工过的灰铸铁构件(刹车盘)局部主视图(示例)。

图4为本发明加工过的灰铸铁构件(刹车盘)局部剖视图(示例)。

其中：1为激光器、2为激光束、3为反射镜、4为聚焦透镜、5为水、6为铝箔、7为灰铸铁构件、8为夹具、9为数控工作台、10为凹坑、11为冲击波。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1和图2所示，灰铸铁构件7通过夹具8固定于数控工作台9上；激光器1发射激光束2，通过反射镜3将横向光路转为纵向光路，透过聚焦透镜4，穿过约束层水5，聚焦于能量吸收层铝箔6上，向灰铸铁构件7内部传递冲击波11进行强化，冲击波11压力远大于灰铸铁构件7的动态屈服强度，使得灰铸铁构件7表面产生塑性形变，形成凹坑10；通过控制数控工作台9的运动，在灰铸铁构件7上加工出阵列式凹坑10。

本发明的一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法(以刹车盘为例)，具体加工步骤如下：

第一步，对灰铸铁构件7(刹车盘)进行表面预处理，将灰铸铁构件7(刹车盘)表面依次用600#-1500#的SiC砂纸打磨，在抛光机上抛光至表面粗糙度Ra≤0.05，随后放置于盛有乙醇的超声波清洗机内清洗15-20min，放入温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；

第二步，在灰铸铁构件7(刹车盘)的表面贴附一层0.1mm厚的铝箔6作为能量吸收层，在能量吸收层铝箔6上设有1-2mm厚的水5作为约束层；

第三步，将贴附铝箔6的灰铸铁构件7(刹车盘)通过夹具8固定，安装于数控工作台9上；

第四步，开启脉冲激光器1，其波长为1064/532/355nm，脉冲宽度为8ns，重复率1-10Hz，光束发散角≤0.5mrad，能量稳定性≤±1％；设置激光冲击工艺参数：激光能量为1.6J，光斑直径为0.8mm；通过控制数控工作台9运动调整灰铸铁构件7(刹车盘)的位置，利用激光器1在灰铸铁构件7(刹车盘)表面加工出阵列式半椭球形凹坑10，其直径D为0.6mm，深度H为0.02mm，间距L为1.2mm，位错W为0.6mm，凹坑10绕圆环排列的转角为15°，如图3和图4所示；

第五步，加工完成，取下灰铸铁构件7(刹车盘)，去除表面贴附的能量吸收层铝箔6，并用装有乙醇的超声波清洗机进行清洗20min，在温度为110℃的干燥箱中干燥20min。

以上所述仅为本发明的优选实施例，但并不限制本发明。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。