一種合金基體制備非光滑表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種合金基體制備非光滑表面的方法；在微米級(jí)槽內(nèi)注入納米顆粒并激光沖擊強(qiáng)化，強(qiáng)化納米顆粒的吸附作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的植入，大幅度提高基體表面的硬度、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能等。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化是指吸收層吸收激光能量產(chǎn)生離子沖擊波，沖擊波受約束層作用，產(chǎn)生反作用力作用于基體表面，使基體表面產(chǎn)生塑性變形，并伴隨有殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生；激光沖擊植入是指在基體表面覆蓋一層納米顆粒吸收層，在激光作用下，納米顆粒汽化，形成離子沖擊波，同時(shí)一部分未被汽化的納米顆粒在沖擊波的作用下植入基體表面，從而提高基體的硬度，耐磨性，耐腐蝕性能等。
[0003]通常的光滑基體表面納米顆粒激光沖擊植入方法，納米顆粒分布不均勻，植入深度淺，對(duì)基體性能改善不明顯，滿足不了一些關(guān)鍵部件的使用要求。
[0004]研宄人員積極尋找合適的激光加工方法，如公開號(hào)為CN102191497 A的專利提出一種在合金基體表面制備納米碳基薄膜的方法和裝置，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基體表面納米碳基薄月旲的制備，但是納米顆粒植入的均勾性和株度還有待提尚。
[0005]為解決上述問題，通過對(duì)前述現(xiàn)有專利的思考，及納米顆粒表面吸附作用的尺寸效應(yīng)的研宄，發(fā)明了一種合金基體制備非光滑表面的方法，其在增強(qiáng)基體表面微米槽內(nèi)納米顆粒吸附作用的同時(shí)，有一部分納米顆粒植入基體表面，有效地提高了基體表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種合金基體制備非光滑表面的方法。
[0007]本發(fā)明的方法是事先對(duì)基體表面進(jìn)行激光雕刻，制備出深寬比一定的微米槽，將碳化物納米顆粒注入槽內(nèi)，利用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小而增加，納米顆粒緊密吸附在槽內(nèi)，用強(qiáng)脈沖激光沖擊基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時(shí)有一部分納米顆粒植入到基體表面，基體表面的硬度、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能等得到大幅提升。
[0008]具體步驟為:
(I)在基體表面待加工區(qū)域激光雕刻出寬匕，深Cl1的槽，橫向與縱向間隔分別為I 1、l2，形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
[0009](2)將納米顆粒注入網(wǎng)格槽內(nèi)，在基體表面覆蓋上吸收層和約束層，并將其安裝在五軸工作臺(tái)上。
[0010](3)通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)。
[0011](4)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺(tái)使激光束光斑中心與基體表面網(wǎng)格待沖擊區(qū)域的左上角重合，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸與工作臺(tái)的X軸和Y軸一致。
[0012](5)打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，并使相鄰兩光斑的搭接率為50%，最終完成對(duì)整個(gè)待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。
[0013]本發(fā)明采用的單脈沖Nd:YAG平頂型激光器的工作參數(shù)為:波長1064nm，脈沖寬度5-lOns，單次脈沖能量1.5J-10J，光斑半徑l_3mm，所能得到的單脈沖激光能量密度為3.6-4.5GW/cm2;所述吸收層采用黑漆，約束層采用K9玻璃。
[0014]其中槽寬度Id1范圍為5-20 μ m，深度d丨范圍為20-80 μ m，深寬比d為為4，橫向縱向間隔Ip I2取槽寬b滿2到3倍。
[0015]所述黑漆吸收層的成分按質(zhì)量份數(shù)計(jì)算為:80%的黑漆、15%耐高溫密封膠和5%的改善激光吸收層柔性的柔性添加劑。
[0016]所述改善激光吸收層柔性的柔性添加劑為柔性聚酯材料。
[0017]所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、鄰苯二甲酸酐、癸二酸按質(zhì)量比2:2:1:1混合均勻制成。
[0018]本發(fā)明的有益效果:在增強(qiáng)基體表面微米槽內(nèi)納米顆粒吸附作用的同時(shí)，有一部分納米顆粒植入基體表面，有效地提高了基體表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等。
【附圖說明】
[0019]圖1為激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖。
[0020]圖2為網(wǎng)格狀基體待沖擊表面示意圖，D-D為工件截面示意圖；其中匕為刻槽寬度，I1為橫向間隔，12為縱向間隔，d i為刻槽深度。
[0021]圖3為工件表面激光沖擊區(qū)域光斑示意圖。
[0022]圖4為激光沖擊后工件截面示意圖；其中hi為沖擊前網(wǎng)格槽內(nèi)納米顆粒分布區(qū)域厚度，h2為沖擊強(qiáng)化后網(wǎng)格槽內(nèi)納米顆粒分布區(qū)域厚度。
[0023]圖中:1.激光器控制裝置，2.激光器，3.激光束，4.k9玻璃約束層，5.吸收層，6.工件，7.五軸工作臺(tái)，8.數(shù)控系統(tǒng)，9.待沖擊區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明提供了一種合金基體表面納米碳基薄膜制備的新型方法，具體步驟為:
(I)在工件6表面待加工區(qū)域激光雕刻出寬Id1，深Cl1的槽，橫向與縱向間隔分別為I 1、
I2，形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
[0026](2)將納米顆粒注入網(wǎng)格槽內(nèi)，在基體表面覆蓋上吸收層5和約束層4，并將其安裝在五軸工作臺(tái)7上。
[0027](3)通過激光控制裝置I設(shè)定激光器2的參數(shù)。
[0028](4)通過數(shù)控系統(tǒng)8調(diào)節(jié)五軸工作臺(tái)7使光斑中心與待沖擊區(qū)域的左上角重合在A點(diǎn)，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸與工作臺(tái)的X軸和Y軸一致。
[0029](5)采用逐步加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)8控制五軸工作臺(tái)7的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)如圖3所示對(duì)工件6待沖擊區(qū)域的激光沖擊強(qiáng)化的方案，其中相鄰光斑搭接率為50%。實(shí)施例一如圖3對(duì)20mmX12mmX2 mm的Mg合金的中心1mmX 1mm區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化；采用尺寸為10-50nm的碳化硅顆粒；激光器的工藝參數(shù)為:脈寬8ns，頻率1Hz，脈沖能量6J，光斑形狀為圓形，光斑半徑為1mm，相鄰光斑的搭接率為50%，所能得到的單脈沖激光能量密度為4GW/cm2，具體操作步驟如下:
Cl)以圖2方式雕刻1mmXlOmm網(wǎng)格狀基體表面，其中刻槽寬Id1=1 μm，深d^Oym，橫向間隔1ι=30 μ m，縱向間隔12=30 μπι。
[0030](2)通過激光控制裝置設(shè)置激光器的各項(xiàng)參數(shù)。
[0031](3)將網(wǎng)格槽內(nèi)注入碳化硅納米顆粒，在工件上覆蓋吸收層與k9玻璃約束層，然后安裝在五軸工作臺(tái)上。
[0032](4)使激光束起始光斑圓心位置與網(wǎng)格狀待沖擊區(qū)域左上角重合在A點(diǎn)，并沿基體表面的X軸和Y軸精確定位，采用逐行加工的方法對(duì)工件待沖擊表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，完成如圖3所示的沖擊方案；其中相鄰光斑的搭接率為50%。
[0033]本實(shí)施例合金基體表面微米槽內(nèi)碳化硅納米顆粒吸附作用增強(qiáng)并伴隨有納米顆粒的植入，基體表面的硬度，耐磨性和耐腐蝕性等有顯著提升。
[0034]本實(shí)施例合金基體表面微米槽內(nèi)碳化硅納米顆粒吸附作用增強(qiáng)并伴隨有納米顆粒的植入，所形成的納米碳基薄膜的硬度和摩擦系數(shù)分別為30GPa和0.033，與光滑基體表面激光沖擊植入納米顆粒所形成的納米碳基薄膜的硬度和摩擦系數(shù)20GPa和0.044相比有顯著提升。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:對(duì)基體表面進(jìn)行激光雕刻，制備出深寬比一定的微米槽，將碳化物納米顆粒注入槽內(nèi)，利用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小而增加，納米顆粒緊密吸附在槽內(nèi)，用強(qiáng)脈沖激光沖擊基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時(shí)有一部分納米顆粒植入到基體表面，基體表面的硬度、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能得到大幅提升。
2.如權(quán)利要求1所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)在基體表面待加工區(qū)域激光雕刻出寬匕，深Cl1的槽，橫向與縱向間隔分別為Ipl2，形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)； (2)將納米顆粒注入網(wǎng)格槽內(nèi)，在基體表面覆蓋上吸收層和約束層，并將其安裝在五軸工作臺(tái)上； (3)通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)； (4)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺(tái)使激光束光斑中心與基體表面網(wǎng)格待沖擊區(qū)域的左上角重合，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸與工作臺(tái)的X軸和Y軸一致； (5)打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，最終完成對(duì)整個(gè)待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化。
3.如權(quán)利要求2所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:激光器采用的單脈沖Nd:YAG平頂型激光器，工作參數(shù)為:波長1064nm，脈沖寬度5_10ns，單次脈沖能量1.5J-10J，光斑半徑l_3mm，相鄰兩光斑的搭接率為50%，所能得到的單脈沖激光能量密度為 3.6-4.5GW/cm2。
4.如權(quán)利要求2所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:所述吸收層采用黑漆吸收層，約束層采用K9玻璃。
5.如權(quán)利要求2所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:槽寬度h范圍為5-20 μm，深度Cl1范圍為20-80 μm，深寬比d/b# 4，橫向縱向間隔I Pl2取槽寬b:的2到3倍。
6.如權(quán)利要求4所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:所述黑漆吸收層的成分按質(zhì)量份數(shù)計(jì)算為:80%的黑漆、15%耐高溫密封膠和5%的改善激光吸收層柔性的柔性添加劑。
7.如權(quán)利要求6所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:所述改善激光吸收層柔性的柔性添加劑為柔性聚酯材料。
8.如權(quán)利要求7所述的一種合金基體制備非光滑表面的方法，其特征在于:所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、鄰苯二甲酸酐、癸二酸按質(zhì)量比2:2:1:1混合均勻制成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種合金基體制備非光滑表面的方法。本發(fā)明采用的方案為，事先對(duì)基體表面進(jìn)行激光雕刻，制備出深寬比一定的微米槽，將碳化物納米顆粒注入槽內(nèi)，利用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小而增加，納米顆粒緊密吸附在槽內(nèi)，用強(qiáng)脈沖激光沖擊基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時(shí)有一部分納米顆粒植入到基體表面，基體表面的硬度、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能等得到大幅提升。
【IPC分類】C23C24-10, C21D10-00
【公開號(hào)】CN104878189
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510229180
【發(fā)明人】魯金忠, 張文泉, 羅開玉, 邢佳
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日