一种合金基体制备非光滑表面的方法.pdf

本发明涉及激光加工领域，特指一种合金基体制备非光滑表面的方法。本发明采用的方案为，事先对基体表面进行激光雕刻，制备出深宽比一定的微米槽，将碳化物纳米颗粒注入槽内，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加，纳米颗粒紧密吸附在槽内，用强脉冲激光冲击基体表面，使吸收层产生等离子体冲击波，纳米颗粒的吸附作用在强冲击波作用下得到进一步强化，同时有一部分纳米颗粒植入到基体表面，基体表面的硬度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能等得到大幅提升。

1.  一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：对基体表面进行激光雕刻，制备出深宽比一定的微米槽，将碳化物纳米颗粒注入槽内，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加，纳米颗粒紧密吸附在槽内，用强脉冲激光冲击基体表面，使吸收层产生等离子体冲击波，纳米颗粒的吸附作用在强冲击波作用下得到进一步强化，同时有一部分纳米颗粒植入到基体表面，基体表面的硬度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能得到大幅提升。

2.  如权利要求1所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）在基体表面待加工区域激光雕刻出宽b₁，深d₁的槽，横向与纵向间隔分别为l₁、l₂，形成网格状结构；
       （2）将纳米颗粒注入网格槽内，在基体表面覆盖上吸收层和约束层，并将其安装在五轴工作台上；
       （3）通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数；
（4）通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体表面网格待冲击区域的左上角重合，作为冲击强化处理起始位置，并使网格区域的X 轴和Y 轴与工作台的X 轴和Y 轴一致；
（5）打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动实现对工件待加工表面进行激光冲击强化，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化。

3.  如权利要求2所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：激光器采用的单脉冲Nd：YAG 平顶型激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5J-10J，光斑半径1-3mm，相邻两光斑的搭接率为50％，所能得到的单脉冲激光能量密度为3.6-4.5GW/cm²。

4.  如权利要求2所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：所述吸收层采用黑漆吸收层，约束层采用K9 玻璃。

5.   如权利要求2所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：槽宽度b₁范围为5-20μm，深度d₁范围为20-80μm，深宽比d₁/b₁为4，横向纵向间隔l₁、l₂取槽宽b₁的2到3倍。

6.  如权利要求4所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：所述黑漆吸收层的成分按质量份数计算为：80% 的黑漆、15% 耐高温密封胶和5% 的改善激光吸收层柔性的柔性添加剂。

7.  如权利要求6所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：所述改善激光吸收层柔性的柔性添加剂为柔性聚酯材料。

8.  如权利要求7所述的一种合金基体制备非光滑表面的方法，其特征在于：所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、邻苯二甲酸酐、癸二酸按质量比2 ：2 ：1 ：1 混合均匀制成。

一种合金基体制备非光滑表面的方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种合金基体制备非光滑表面的方法；在微米级槽内注入纳米颗粒并激光冲击强化，强化纳米颗粒的吸附作用的同时实现了纳米颗粒的植入，大幅度提高基体表面的硬度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能等。
背景技术
激光冲击强化是指吸收层吸收激光能量产生离子冲击波，冲击波受约束层作用，产生反作用力作用于基体表面，使基体表面产生塑性变形，并伴随有残余压应力产生；激光冲击植入是指在基体表面覆盖一层纳米颗粒吸收层，在激光作用下，纳米颗粒汽化，形成离子冲击波，同时一部分未被汽化的纳米颗粒在冲击波的作用下植入基体表面，从而提高基体的硬度，耐磨性，耐腐蚀性能等。
通常的光滑基体表面纳米颗粒激光冲击植入方法，纳米颗粒分布不均匀，植入深度浅，对基体性能改善不明显，满足不了一些关键部件的使用要求。
研究人员积极寻找合适的激光加工方法，如公开号为CN102191497 A的专利提出一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法和装置，虽然能够实现基体表面纳米碳基薄膜的制备，但是纳米颗粒植入的均匀性和深度还有待提高。
为解决上述问题，通过对前述现有专利的思考，及纳米颗粒表面吸附作用的尺寸效应的研究，发明了一种合金基体制备非光滑表面的方法，其在增强基体表面微米槽内纳米颗粒吸附作用的同时，有一部分纳米颗粒植入基体表面，有效地提高了基体表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。
发明内容
本发明的目的是提供一种合金基体制备非光滑表面的方法。
本发明的方法是事先对基体表面进行激光雕刻，制备出深宽比一定的微米槽，将碳化物纳米颗粒注入槽内，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加，纳米颗粒紧密吸附在槽内，用强脉冲激光冲击基体表面，使吸收层产生等离子体冲击波，纳米颗粒的吸附作用在强冲击波作用下得到进一步强化，同时有一部分纳米颗粒植入到基体表面，基体表面的硬度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能等得到大幅提升。
具体步骤为：
（1）在基体表面待加工区域激光雕刻出宽b₁，深d₁的槽，横向与纵向间隔分别为l₁、l₂，形成网格状结构。
       （2）将纳米颗粒注入网格槽内，在基体表面覆盖上吸收层和约束层，并将其安装在五轴工作台上。
       （3）通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数。
（4）通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体表面网格待冲击区域的左上角重合，作为冲击强化处理起始位置，并使网格区域的X 轴和Y 轴与工作台的X 轴和Y 轴一致。
（5）打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动实现对工件待加工表面进行激光冲击强化，并使相邻两光斑的搭接率为50％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化。
       本发明采用的单脉冲Nd：YAG 平顶型激光器的工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5J-10J，光斑半径1-3mm，所能得到的单脉冲激光能量密度为3.6-4.5GW/cm²；所述吸收层采用黑漆，约束层采用K9 玻璃。
       其中槽宽度b₁范围为5-20μm，深度d₁范围为20-80μm，深宽比d₁/b₁为4，横向纵向间隔l₁、l₂取槽宽b₁的2到3倍。
所述黑漆吸收层的成分按质量份数计算为：80% 的黑漆、15% 耐高温密封胶和5% 的改善激光吸收层柔性的柔性添加剂。
所述改善激光吸收层柔性的柔性添加剂为柔性聚酯材料。
所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、邻苯二甲酸酐、癸二酸按质量比2 ：2 ：1 ：1 混合均匀制成。
       本发明的有益效果：在增强基体表面微米槽内纳米颗粒吸附作用的同时，有一部分纳米颗粒植入基体表面，有效地提高了基体表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。
附图说明
       图1为激光冲击强化装置示意图。
       图2为网格状基体待冲击表面示意图，D-D为工件截面示意图；其中b₁为刻槽宽度，l₁为横向间隔，l₂为纵向间隔，d₁为刻槽深度。
       图3为工件表面激光冲击区域光斑示意图。
图4为激光冲击后工件截面示意图；其中h1为冲击前网格槽内纳米颗粒分布区域厚度，h₂为冲击强化后网格槽内纳米颗粒分布区域厚度。
       图中：1.激光器控制装置，2.激光器，3.激光束，4.k9玻璃约束层，5.吸收层，6.工件，7.五轴工作台，8.数控系统，9.待冲击区域。
具体实施方式
       下面结合附图对本发明作详细说明。
       本发明提供了一种合金基体表面纳米碳基薄膜制备的新型方法，具体步骤为：
       （1）在工件6表面待加工区域激光雕刻出宽b₁，深d₁的槽，横向与纵向间隔分别为l₁ 、l₂，形成网格状结构。
       （2）将纳米颗粒注入网格槽内，在基体表面覆盖上吸收层5和约束层4，并将其安装在五轴工作台7上。
（3）通过激光控制装置1设定激光器2的参数。
（4）通过数控系统8调节五轴工作台7使光斑中心与待冲击区域的左上角重合在A点，并使网格区域的X 轴和Y 轴与工作台的X 轴和Y 轴一致。
（5）采用逐步加工的方法通过数控系统8控制五轴工作台7的移动实现如图3所示对工件6待冲击区域的激光冲击强化的方案，其中相邻光斑搭接率为50％。      实施例一
       如图3 对20mm×12mm×2 mm 的Mg合金的中心10mm×10mm 区域进行激光冲击强化；采用尺寸为10-50nm的碳化硅颗粒；激光器的工艺参数为：脉宽8ns，频率1Hz，脉冲能量6J，光斑形状为圆形，光斑半径为1mm，相邻光斑的搭接率为50％，所能得到的单脉冲激光能量密度为4GW/cm²，具体操作步骤如下：
（1）以图2方式雕刻10mm×10mm网格状基体表面，其中刻槽宽b₁=10μm，深d₁=40μm，横向间隔l₁=30μm，纵向间隔l₂=30μm。
（2）通过激光控制装置设置激光器的各项参数。
（3）将网格槽内注入碳化硅纳米颗粒，在工件上覆盖吸收层与k9玻璃约束层，然后安装在五轴工作台上。
（4）使激光束起始光斑圆心位置与网格状待冲击区域左上角重合在A 点，并沿基体表面的X 轴和Y 轴精确定位，采用逐行加工的方法对工件待冲击表面进行冲击强化，完成如图3所示的冲击方案；其中相邻光斑的搭接率为50％。
本实施例合金基体表面微米槽内碳化硅纳米颗粒吸附作用增强并伴随有纳米颗粒的植入，基体表面的硬度，耐磨性和耐腐蚀性等有显著提升。
本实施例合金基体表面微米槽内碳化硅纳米颗粒吸附作用增强并伴随有纳米颗粒的植入，所形成的纳米碳基薄膜的硬度和摩擦系数分别为30GPa和0.033，与光滑基体表面激光冲击植入纳米颗粒所形成的纳米碳基薄膜的硬度和摩擦系数20GPa和0.044相比有显著提升。