權利要求

1.激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟一，第一次表面處理：在鈦合金的結合表面采用激光沖擊技術進行第一次表面處理； 步驟二，第二次表面處理：將經(jīng)過步驟一處理的鈦合金的結合表面進行第二次表面處理，所述第二次表面處理包括超聲清洗、堿洗、酸洗和表面活化處理； 步驟三，液固復合鑄造：將經(jīng)過步驟二處理的鈦合金固定在鑄型中，將鎂合金熔體澆注到鑄型內(nèi)，實現(xiàn)鎂/鈦界面冶金結合。2.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟一中，激光沖擊處理形成的表面改性層厚度為數(shù)十至數(shù)百微米。 3.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟一中，激光沖擊的工藝參數(shù)為：激光波長1063-1065nm，脈沖寬度10-20ns，激光功率4-7J，激光沖擊次數(shù)1-2次，光斑直徑2.5-5mm，搭接率40-60％。 4.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟一中，激光沖擊保護層為黑色膠帶，激光沖擊約束層為去離子水幕。 5.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟二中，超聲清洗時間10-20min。 6.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟二中，堿洗溫度60-75℃，堿洗時間20-30min。 7.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟二中，表面活化處理溶液配比為：鹽酸/硫酸＝2/5-1/2，表面活化處理時間25-35min。 8.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟三中，復合鑄造工藝參數(shù)：鎂合金熔體溫度720℃，液固比15：1。 9.根據(jù)權利要求1所述的激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，其特征在于：步驟一中，激光沖擊路徑規(guī)劃為：依次順序-倒序，或者依次順序-順序。

說明書

技術領域

本發(fā)明涉及鑄造雙金屬復合材料領域，具體涉及激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法。

背景技術

鎂合金作為目前實際應用的最輕的金屬結構材料之一，具有密度低、比強度和比剛度高、加工性能好等優(yōu)點，廣泛應用于軌道交通、電子通信、航空航天等領域。但是鎂合金存在絕對強度低、高溫性能差、耐腐蝕性差等缺點，限制了其更大規(guī)模的應用。與鎂合金相比，鈦合金的高溫性能、耐腐蝕性能優(yōu)良且具有更高的比強度，但因其工藝性能差、成本較高，主要應用于航空航天、深海石油等高科技領域。鎂合金與鈦合金在性能和經(jīng)濟方面互補性很強，實現(xiàn)鎂鈦異種合金的可靠復合，能夠在保留各自性能特點的同時克服單一材料性能上的不足，形成高強度鎂/鈦復合鑄造構件，滿足航空航天、交通運輸?shù)阮I域的輕量化需求。

然而，鎂、鈦在物理和冶金性能上有很大的差異：二者互溶度極小，基本不發(fā)生冶金反應；二者熔點差異大(鎂：649℃，鈦：1678℃)，難以同時處于熔融態(tài)；另外在合金表面也易形成氧化膜，影響界面冶金連接。因此，實現(xiàn)鎂/鈦界面的冶金結合存在一定的局限性，其復合十分困難。

液固復合鑄造可生產(chǎn)具有復雜形狀及內(nèi)部結構的零件，生產(chǎn)效率高，工藝簡單，是高性能雙金屬的重要成型方法?；谠摴に嚨膹秃翔T件已經(jīng)成功應用于汽車、電子、冶金等領域，如曲軸箱、發(fā)動機缸體、空心管狀靶材、復合錘頭等。采用能同時與鎂、鈦反應的金屬作為中間過渡層能夠制備鎂/鈦液固復合鑄件，但存在第三種金屬選擇的局限性，可能產(chǎn)生脆性金屬間化合物，需要對工藝過程和界面擴散進行嚴格的把控。

綜上，現(xiàn)有技術中存在鎂/鈦難以形成界面直接冶金結合、鎂/鈦結合強度不足的問題，并且針對不互溶的鎂/鈦雙金屬復雜構件的液固復合鑄造界面冶金結合也存在一定的局限性和難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明意在提供一種激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，以解決鎂/鈦難以形成界面直接冶金結合、鎂/鈦結合強度不足的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，包括如下步驟：

步驟一，第一次表面處理：在鈦合金的結合表面采用激光沖擊技術進行第一次表面處理；

步驟二，第二次表面處理：將經(jīng)過步驟一處理的鈦合金的結合表面進行第二次表面處理，第二次表面處理包括超聲清洗、堿洗、酸洗和表面活化處理；

步驟三，液固復合鑄造：將經(jīng)過步驟二處理的鈦合金固定在鑄型中，將鎂合金熔體澆注到鑄型內(nèi)，實現(xiàn)鎂/鈦界面冶金結合。

本方案的原理及優(yōu)點是：激光沖擊技術可產(chǎn)生1mm甚至更深的壓應力層，同時因激光能量、脈沖寬度、路徑軌跡等工藝參數(shù)可精確調(diào)節(jié)設定，從而可以對零件的表面粗糙度、硬度、殘余應力分布、零件變形量等技術指標精確調(diào)控。

本發(fā)明將激光沖擊表面處理技術應用于鎂/鈦液固復合鑄造，激光沖擊可以對鈦合金材料的表面粗糙度、硬度、殘余應力分布、變形量等進行精確調(diào)控，利用激光沖擊在鈦合金材料表面形成的高殘余應力、高密度位錯、晶界等晶體缺陷，這樣鎂/鈦元素在晶體缺陷中具有更高的擴散系數(shù)。本發(fā)明充分利用激光沖擊在鈦合金表面形成的高密度晶體缺陷，誘導鎂/鈦元素的互擴散，可以大幅度強化結合界面的冶金結合作用，實現(xiàn)鎂/鈦液固復合鑄造結合界面的可靠連接。

采用上述方案時，具有以下有益效果：1、采用激光沖擊處理實現(xiàn)鎂/鈦雙金屬的可靠復合，同時液固復合鑄造能夠?qū)崿F(xiàn)復雜構件的制備。2、激光沖擊工藝可調(diào)，鈦合金材料表面粗糙度、殘余應力分布、高密度晶體缺陷可以精確調(diào)控，強化了鎂/鈦界面冶金結合。3、激光沖擊后進行的第二次表面處理，有效減輕工藝過程中鈦合金表面氧化，抑制了界面缺陷的產(chǎn)生，提高界面結合強度與產(chǎn)品使用壽命。4、不同于傳統(tǒng)的添加中間層的結合方式，本發(fā)明無需添加金屬中間層，實現(xiàn)了鎂/鈦直接冶金結合。另外，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)復雜結構的鎂/鈦雙金屬復合。

值得說明和強調(diào)的是，本發(fā)明采用激光沖擊的目的是在鈦合金表面形成高密度晶體缺陷，在隨后的液固復合鑄造過程中誘導鎂/鈦元素的互擴散，可以大幅度強化結合界面的冶金結合作用。激光沖擊不使鈦合金表面進行升溫，鈦、鎂元素不發(fā)生冶金反應，界面結合完全通過液固復合鑄造過程中鎂/鈦界面處晶體缺陷誘導擴散形成。需要說明的是，本發(fā)明采用的液固復合鑄造工藝相對于傳統(tǒng)液固復合鑄造工藝，溫度較高，液固比較大，在鈦合金表面有激光沖擊產(chǎn)生應力集中與晶體缺陷的情況下，在液固復合鑄造過程中提供足夠的熱力學驅(qū)動力使鎂/鈦界面形成結合。

另外，本發(fā)明先采用激光沖擊處理鈦材表面，隨后進行液固復合，通過本方案能夠生產(chǎn)形狀復雜的結構件，同時能使不互溶的鎂、鈦在界面形成冶金結合，克服了不互溶的鎂/鈦雙金屬復雜構件的液固復合鑄造界面冶金結合的局限性和難度。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟一中，激光沖擊處理形成的表面改性層厚度為數(shù)十至數(shù)百微米。不同于傳統(tǒng)激光沖擊處理為了提高部件的表面性能，本發(fā)明中的激光沖擊功率低，脈沖寬度短，形成的表面改性層更薄，僅有數(shù)十到數(shù)百微米，較薄的激光沖擊改性層已經(jīng)能夠起到誘導鎂、鈦原子擴散的作用。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟一中，激光沖擊的工藝參數(shù)為：激光波長1063-1065nm，脈沖寬度10-20ns，激光功率4-7J，激光沖擊次數(shù)1-2次，光斑直徑2.5-5mm，搭接率40-60％。由此，采用上述的激光沖擊的工藝參數(shù)，使激光沖擊處理后的鈦合金表面殘余應力與晶體缺陷分布均勻，有利于調(diào)控后續(xù)鎂鈦復合鑄造過程中鎂原子向鈦合金內(nèi)部的擴散，提高界面冶金結合性能，激光沖擊的效果更好。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟一中，激光沖擊保護層為黑色膠帶，激光沖擊約束層為去離子水幕。黑色膠帶作為保護層和能量吸收層在激光沖擊時產(chǎn)生局部爆炸引發(fā)鈦合金表面超高應變率的塑性變形，去離子水幕作為約束層不會在激光沖擊爆炸后破壞，能夠持續(xù)進行激光沖擊爆炸能量約束。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟二中，超聲清洗時間10-20min。由此，采用上述超聲清洗工藝，能夠去除激光沖擊處理和機械處理過程對鈦合金表面造成的污染，獲得無污染的潔凈表面，超聲清洗的效果較好。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟二中，堿洗溫度60-75℃，堿洗時間20-30min。由此，采用上述堿洗工藝，鈦合金表面的氧化皮能夠徹底洗盡，表面呈灰白色，表面質(zhì)量良好，堿洗的效果較好。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟二中，表面活化處理溶液配比為：鹽酸/硫酸＝2/5-1/2，表面活化處理時間25-35min。由此，采用上述表面活化工藝，在鈦合金表面形成一層活化層，防止了后續(xù)工藝過程中鈦合金表面氧化，同時活化時間短，消除了對鈦合金產(chǎn)生腐蝕的風險，表面活化處理的效果較好。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟三中，復合鑄造工藝參數(shù)：鎂合金熔體溫度720℃，液固比15：1。由此，采用上述復合鑄造工藝，鎂合金完全熔化且不發(fā)生燒蝕。不同于傳統(tǒng)液固復合鑄造工藝，上述工藝溫度相對較高，液固比相對較大，在鈦合金表面有激光沖擊產(chǎn)生應力集中與晶體缺陷的情況下，在液固復合鑄造過程中提供足夠的熱力學驅(qū)動力使鎂/鈦界面形成結合，液固復合鑄造的效果較好。

優(yōu)選的，作為一種改進，步驟一中，激光沖擊路徑規(guī)劃為：依次順序-倒序，或者依次順序-順序。采用上述激光沖擊路徑規(guī)劃，在鈦合金表面每一點都會受到多次相鄰激光沖擊點的作用，形成均勻的塑性應變層，表面晶體缺陷分布均勻，激光沖擊處理的效果較好。

附圖說明

圖1為一種激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法的流程圖。

圖2為激光沖擊處理后鎂/鈦液固復合鑄造界面微觀組織及溶質(zhì)濃度分布曲線圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式進一步詳細說明：

實施例基本如附圖1-圖2所示：一種激光沖擊誘導鎂鈦液固復合鑄造界面冶金結合的方法，包括如下步驟：

步驟一，第一次表面處理：在鈦合金的結合表面采用激光沖擊技術進行第一次表面處理；激光沖擊的工藝參數(shù)為：激光波長1063-1065nm，本實施例為激光波長1064nm；脈沖寬度10-20ns，本實施例為脈沖寬度為20ns；激光功率4-7J，本實施例為激光功率6J；激光沖擊次數(shù)1-2次，本實施例激光沖擊次數(shù)1次；光斑直徑2.5-5mm，本實施例光斑直徑5mm；搭接率40-60％，本實施例搭接率50％。激光沖擊保護層為黑色膠帶，激光沖擊約束層為去離子水幕。激光沖擊路徑規(guī)劃為：依次順序-倒序，或者依次順序-順序，本實施例激光沖擊路徑規(guī)劃為依次順序-倒序。

步驟二，第二次表面處理：將經(jīng)過步驟一處理的鈦合金的結合表面進行第二次表面處理，第二次表面處理包括超聲清洗、堿洗、酸洗和表面活化處理；超聲清洗時間10-20min，本實施例超聲清洗時間20min。堿洗溫度60-75℃，本實施例堿洗溫度75℃；堿洗時間20-30min，本實施例堿洗時間30min。表面活化處理溶液配比為：鹽酸/硫酸＝2/5-1/2，表面活化處理時間25-35min，本實施例表面活化處理時間30min。

步驟三，液固復合鑄造：將經(jīng)過步驟二處理的鈦合金固定在鑄型中，將鎂合金熔體澆注到鑄型內(nèi)，實現(xiàn)鎂/鈦界面冶金結合。第二次表面處理包括超聲清洗、堿洗、酸洗和表面活化處理。復合鑄造工藝參數(shù)：鎂合金熔體溫度720℃，液固比15：1。

本實施例中的鈦合金材料為Ti6Al4V鈦合金，鎂合金材料為AZ91D鎂合金。

鎂/鈦液固復合鑄造界面冶金結合性能通過鎂/鈦復合構件的剪切性能表征，最后經(jīng)過檢測，未采用激光沖擊的鎂/鈦界面出現(xiàn)明顯的間隙，未能形成冶金結合，制作剪切試樣時的輕微機械力就發(fā)生斷裂，強度接近0。實施例中激光沖擊處理后鎂/鈦液固復合鑄造界面微觀組織如圖2所示，采用激光沖擊處理的鎂/鈦界面形成了約3μm的擴散層，鎂/鈦液固復合鑄造構件界面剪切強度可達29.5MPa，證明采用激光沖擊處理能夠?qū)崿F(xiàn)并強化鎂/鈦界面直接冶金結合。

以上所述的僅是本發(fā)明的實施例，方案中公知的具體技術方案和/或特性等常識在此未作過多描述。應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術方案的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應該視為本發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本發(fā)明實施的效果和專利的實用性。本申請要求的保護范圍應當以其權利要求的內(nèi)容為準，說明書中的具體實施方式等記載可以用于解釋權利要求的內(nèi)容。

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