CN102212818B - 冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光诱导冲击波加速纳米颗粒实现金属表面纳米化的方法及装置，涉及金属材料表面纳米化领域。空气压缩机产生强大压力将金属纳米颗粒进行加速并导入带有排气装置的密闭工作腔，从锥形孔里喷出的黑漆粒子在激光辐射作用下，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力不断再推进已经具有一定速度的纳米颗粒，使其以最大速度冲击金属材料表面，并嵌入金属材料表面形成纳米层，实现金属材料的表面纳米化。

Description

冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化方法及装置
技术领域
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地是指一种激光诱导冲击波加速金属纳米颗粒实现金属表面纳米化的方法。
背景技术
金属纳米晶体材料由于其晶粒细小(通常小于100 nm)，界面密度高，表现出独特的力学及物理化学性能，为提高传统材料的综合力学性能和服役行为开辟了新的道路。
材料的失效大多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其敏感，所以材料表面的结构和性能直接影响其综合性能。作为一种表面改性新方法，金属表面纳米化处理技术就是利用纳米金属材料的优异性能，在传统工程金属材料表面制备出一层有纳米晶体结构的表面层，改善金属材料的表面结构性能，特别是疲劳性能，腐蚀性能和摩擦磨损性能，提高材料的综合力学性能，延长材料的使用寿命。故金属材料表面纳米化对提高金属零部件的使用寿命具有十分重要的意义。
金属材料表面纳米化的方法主要有两类，第一类为表面涂层或沉积纳米化，即引入异质材料从而在材料表面形成纳米结构涂层，主要技术有：物理蒸发沉积（PVD）、化学蒸发沉积（CVD），溅射镀膜，电镀和喷涂等。由于存在涂层和基体之间、涂层粒子之间结合力较弱的缺点，很容易引起表层剥落或脱落，限制了该类方法的工业化运用。第二类为机械表面研磨纳米化，即用机械方法使金属表面产生剧烈的塑形变性，从而细化表面组织，表面纳米化。主要技术有：高能喷丸、超声喷丸、滚压等方法。该类方法制备的表面纳米层与基体组织之间不存在明显的界面，不发生脱落或分离，从而大幅度提高材料的使用性能，但该类方法存在一些局限性，比如很难对有曲面的零部件进行表面纳米化，生产效率低等缺点限制了工业化的推广。
发明专利“超声波高能表面机械加工的金属表面纳米化方法（公开号 CN 2334033A）”是让超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属表面造成高应变速率局部强烈塑性变性，从而将金属表面层晶粒细化到纳米尺度。该发明的最大优点在于无须任何弹丸或微粒作为中间能量载体，可以在金属表面形成一层化学成分与金属件基体完全相同的纳米晶以及显著提高金属件的表面光洁度，其不足之处在于由于冲头形状和尺寸的限制，处理后的金属材料表面不平整，有凹坑和凸台，粗糙度高，在一定程度上影响其表面性能。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提供一种激光诱导冲击波加速金属纳米颗粒实现金属表面纳米化的方法。空气压缩机产生巨大压力将金属纳米颗粒进行加速并导入带有排气装置的密闭工作腔里，从锥形孔里喷出的黑漆在激光辐照下产生冲击波，利用激光诱导的冲击波不断加速具有一定速度的金属纳米颗粒，使其以最大速度冲击金属材料表面，并嵌入金属材料表面形成纳米层，实现金属材料表面纳米化的转换。
冲击波加速金属纳米颗粒诱导金属表面纳米化的具体方法是:激光透过耐高压K9玻璃辐射到从锥形孔喷出的黑漆上，黑漆吸收激光能量爆炸压缩空气形成高强度冲击波，高强度的冲击波对具有一定速度的金属纳米颗粒产生极大的推力使其以数倍声速的初速度向下运动，随着冲击波在空气中的不断传播，当金属纳米颗粒运动到下一个位置时，冲击波产生的推力给金属纳米颗粒加速，当金属纳米颗粒再运动到下一个位置时，冲击波产生的推力再次对金属纳米颗粒加速，在空气中传播的冲击波产生的推力不断的给金属纳米颗粒加速，金属纳米颗粒的速度越来越快，至金属材料表面时金属纳米颗粒获得最大速度，并以这个最大速度冲击金属材料表面，嵌入金属材料表面形成纳米层，同时由于金属纳米颗粒和金属材料表面之间的冲击作用使金属表面引起严重的塑性变性形成大量的位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，金属材料表面自身也形成纳米晶，从而改善金属材料的表面结构性能，提高材料的综合力学性能，延长材料的使用寿命。
以下为本发明的具体实施例，但不用来限制本发明。本发明包括控制系统、导光系统、工作台控制系统和辅助系统。
所述的控制系统包括工业控制器、数字控制器、激光控制器和压力控制器。数字控制器上端与激光控制器相连，下端与工业控制器相连，激光控制器与高功率脉冲激光装置相连。工业控制器通过数字控制器分别控制激光控制器、光斑调节装置和五轴联动工作台，激光控制器控制高功率脉冲激光装置，压力控制器控制储气罐里气体输出的压力。
所述的导光系统包括导光管、冲击头以及光斑调节装置。光斑调节装置位于高功率脉冲激光装置与冲击头之间并与数字控制器相连，高功率脉冲激光装置在光斑调节装置上面，冲击头在光斑调节装置下面。聚焦透镜位于冲击头内，导光管与高功率脉冲激光装置、光斑调节装置与冲击头串联起来。
所述的工作台控制系统包括数字控制器、工件和五轴联动工作台。工件位于五轴联动工作台上面，数字控制器通过控制五轴联动工作台来调节工件和纳米粒子喷头的相对位置。
所述辅助系统包括空气压缩机、送漆装置、纳米粒子喷头、送粉装置、排气装置、密闭工作腔和金属纳米颗粒回收装置；所述纳米粒子喷头位于密闭工作腔内部的顶上方，纳米粒子喷头为中空的圆柱形，含有圆环状内腔和外腔，垫片A位于内腔外壁的凸缘上，耐高压K9玻璃在垫片A于垫片B之间，并由顶盖固定，内腔底部有两个沿轴线对称分布的锥形孔，内腔左上部的黑漆输入端口与送漆装置相连，外腔上部沿轴线对称分布的纳米颗粒输入端口A和纳米颗粒输入端口B分别通过导气管与送粉装置相连；所述送粉装置通过导气管与压力控制器相连；所述压力控制器通过导气管与储气罐相连；所述排气装置和金属纳米颗粒回收装置分别与密闭工作腔相连，排气装置在密闭工作腔左边，其排气管位于五轴联动工作台的下部，金属纳米颗粒回收装置在密闭工作腔右边，排气装置用于排出密闭工作腔里的气体，金属纳米颗粒回收装置用于回收多余的金属纳米颗粒。
本发明的特征须在特定的工艺条件下实现，其工艺条件为纳米粒子喷头到工件表面的距离为5mm～8mm；金属纳米颗粒的粒度为10nm～50nm；所述的金属纳米颗粒为碳化钛、碳化硅等；压缩的气体为空气；气压压力为0.5 Map～3.0MPa；气体流速为240 m/s～1000m/s；黑漆的输出压力为480～500kpa；锥形孔的喷口直径为2mm，锥角为28°；高功率脉冲激光装置发出的激光脉宽为5ms～100ms可调；能量在10J～100J可调；光斑调节装置的光斑直径为0.5mm～12mm。在这种参数条件下，金属纳米颗粒的运动速度能达到3340m/s～6000m/s，金属纳米颗粒以这个速度冲击金属材料表面并嵌入其表面形成纳米层，未能嵌入金属材料表面的金属纳米颗粒，通过金属纳米颗粒回收装置回收再利用。
本发明技术的创新，在于借助压缩空气产生的高速气体给金属纳米颗粒一个很大的速度，从锥形孔喷出的黑漆在激光辐射下吸收激光能量迅速气化、电离，并几乎同时形成大量稠密的高温等离子体，等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波，高强度的冲击波对金属纳米颗粒产生强大推力使其以数倍声速的初速度向下运动，随着冲击波在空气中的不断传播，不断的给金属纳米颗粒加速，金属纳米颗粒的速度越来越快，使其以最大速度冲击金属材料表面，并嵌入金属材料表面形成纳米层。由于金属纳米颗粒和金属材料表面的冲击作用使金属表面引起严重的塑性变性形成大量的位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，金属材料表面自身也形成纳米晶。五轴联动工作台有三个坐标的移动和两个转动，故可以移动和转动工作台上的工件，使工件处于不同的位置和不同的角度，从而可以对曲率变化较大形状复杂的零部件进行表面纳米化。
本发明的有益效果如下：
1、该方法直接将金属纳米颗粒射入金属材料表面形成一层较厚的性能优异的纳米层，表面纳米化效果好。未能嵌入金属材料表面的金属纳米颗粒，经金属纳米颗粒回收装置回收能再利用。
2、本发明方法处理后金属材料表面变形小，粗糙度低。
3、本发明方法可以对曲率变化较大形状复杂的零部件进行表面纳米化(如齿轮和圆柱弹簧零件等)。
4、本发明方法不会对金属材料表面产生腐蚀、裂纹等缺陷。
5、该方法可实现自动化，生产效率高，表面纳米化速度快。
附图说明
图1：冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化装置示意图。
图2：冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化原理示意图。
图3：纳米粒子喷头半剖示意图。
图中，1.排气装置；2.工业控制器；3.数字控制器；4.激光控制器；5.高功率脉冲激光装置；6.导光管；7.激光束；8.光斑调节装置；9.空气压缩机；10.储气罐；11.导气管；12.压力控制器；13.送漆装置；14.黑漆输入端口；15.冲击头；16.聚焦透镜；17.顶盖；18.送粉装置；19.纳米颗粒输入端口A；20.纳米粒子喷头；21.黑漆；22.垫片A；23.垫片B；24.锥形孔；25.工件；26.纳米颗粒输入端口B；27.耐高压K9玻璃；28.金属纳米颗粒；29.五轴联动工作台；30.密闭工作腔；31.金属纳米颗粒回收装置；32.等离子体；33.冲击波。
具体实施方式
冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化的方法的实施步骤如下：
A、工件进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并把工件固定在五轴联动工作台上，调整好五轴联动工作台到纳米粒子喷头之间的垂直距离。
B、启动空气压缩机和排气装置，通过压力控制器调节空气的压力和流速。
C、控制和调节送漆装置，使黑漆从锥形孔里呈雾状喷出。
D、调节高功率脉冲激光装置参数（参数包括激光能量、脉冲宽度）和光斑调节装置参数（光斑直径）。黑漆吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波，冲击波产生的强大推力对金属纳米颗粒不断加速，使其以最大速度冲击工件表面并嵌入工件表面形成纳米层。
E、金属纳米颗粒回收装置回收多余的金属纳米颗粒，重复利用。
F、清洗工件表面未气化电离的黑漆。
下面结合图1详细说明本发明，但不用来限制本发明。
 如图1所述，一种冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化装置包括排气装置1，工业控制器2，数字控制器3，激光控制器4，高功率激光装置5，光斑调节装置8，空气压缩机9，储气罐10，导气管11，压力控制器12，送漆装置13，黑漆输入端口14，冲击头15，顶盖17，送粉装置18，纳米颗粒输入端口A19，纳米粒子喷头20，垫片A22，垫片B23，工件25，纳米颗粒输入端口B26，耐高压K9玻璃27，五轴联动工作台29，密闭工作腔30，金属纳米颗粒回收装置31。
将工件25进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并把工件25固定在五轴联动工作台29上，调整好五轴联动工作台29到纳米粒子喷头20之间的垂直距离。开启空气压缩机9和排气装置1，空气压缩机9产生的流动气体通过压力储气罐10和压力控制器12，流动气体将金属纳米颗粒28加速并导入密闭工作腔30里，压力控制器12调节空气的压力和流速，使参数满足试验要求。同时调节高功率脉冲激光装置5参数（参数包括激光能量、脉冲宽度）和光斑调节装置8参数（光斑直径），使参数满足试验要求。高功率脉冲激光装置5发出激光束7，激光束7透过耐高压K9玻璃27辐射到由送漆装置13提供并从锥形孔24喷出的黑漆21上，黑漆21吸收激光能量迅速气化、电离，并几乎同时形成大量稠密的高温等离子体32，等离子体32继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波33，高强度的冲击波推力作用于金属纳米颗粒28使其数倍声速的初速度冲击工件25表面，随着冲击波33在空气中的不断传播，不断的给金属纳米颗粒28加速，金属纳米颗粒28的速度越来越快，使其以最大速度冲击金属材料表面，并嵌入工件25表面形成纳米层，同时由于金属纳米颗粒28的冲击作用使工件25表面引起严重的塑性变性形成大量的位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，工件25表面自身也形成纳米晶。金属纳米颗粒回收装置31回收多余的金属纳米颗粒28，重复利用。
具体实施例一：基材为45钢。将工件进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并把工件固定在五轴联动工作台上，调整好五轴联动工作台到纳米粒子喷头之间的垂直距离，距离为6mm。开启空气压缩机、排气装置和金属纳米颗粒回收装置，空气压缩机产生的流动气体通过压力控制器和送粉装置，流动气体将碳化硅纳米颗粒加速并导入密闭工作腔里，压力控制器调节空气的压力和流速，压力为1.5MPa,流速为400m/s。调节高功率脉冲激光装置和光斑调节装置，激光能量为90J，脉冲宽度33ms，光斑直径4mm，激光束透过耐高压K9玻璃辐射黑漆上，碳化硅纳米颗粒在激光诱导的高强度冲击波推力作用下，射入工件表面，形成纳米层。
 该方法处理后，经X射线衍射和电镜分析得碳化硅纳米颗粒能很好的结合到45钢表面，并且分布比较均匀，纳米层厚度为1~50μm，表层晶粒尺寸为8~50nm，晶粒平均尺寸约为24 nm，其表面的纳米层足以保证金属零部件所须得机械性能。

Claims (2)

1.冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化装置，其特征在于，包括控制系统、导光系统、工作台控制系统和辅助系统；
所述控制系统包括工业控制器（2）、数字控制器（3）、激光控制器（4）和压力控制器（12）；所述数字控制器（3）与激光控制器（4）和工业控制器（2）相连，所述激光控制器（4）与高功率脉冲激光装置（5）相连；所述工业控制器（2）通过数字控制器（3）分别控制激光控制器（4）、光斑调节装置（8）和五轴联动工作台（29），所述激光控制器（4）控制高功率脉冲激光装置（5），压力控制器（12）控制储气罐（10）里气体输出的压力；
所述导光系统包括导光管（6）、冲击头（15）和光斑调节装置（8）；所述光斑调节装置（8）位于高功率脉冲激光装置（5）与冲击头（15）之间并与数字控制器（3）相连，高功率脉冲激光装置（5）在光斑调节装置（8）上方，冲击头（15）在光斑调节装置（8）下方；聚焦透镜（16）位于冲击头（15）内，高功率脉冲激光装置（5）通过导光管（6）与光斑调节装置（8）相连，光斑调节装置（8）通过导光管（6）与冲击头（15）相连；
所述工作台控制系统包括数字控制器（3）、工件（25）和五轴联动工作台（29）；工件（25）位于五轴联动工作台（29）上方，数字控制器（3）通过控制五轴联动工作台（29）来调节工件（25）和纳米粒子喷头（20）的相对位置；
所述辅助系统包括空气压缩机（9）、送漆装置（13）、纳米粒子喷头（20）、送粉装置（18）、排气装置（1）、密闭工作腔（30）和金属纳米颗粒回收装置（31）；所述纳米粒子喷头（20）位于密闭工作腔（30）内部的上方，纳米粒子喷头（20）为中空的圆柱形，含有圆环状内腔和外腔，垫片A（22）位于内腔内侧外壁的凸缘上，耐高压K9玻璃（27）在垫片A（22）与垫片B（23）之间，并由顶盖（17）固定，内腔底部有两个沿轴线对称分布的锥形孔（24），内腔左上部的黑漆输入端口（14）与送漆装置（13）相连，外腔上部沿轴线对称分布的纳米颗粒输入端口A（26）和纳米颗粒输入端口B（27）分别通过导气管（11）与送粉装置（18）相连；所述送粉装置（18）通过导气管（11）与压力控制器（12）相连；所述压力控制器（12）通过导气管（11）与储气罐（10）相连；所述排气装置（1）和金属纳米颗粒回收装置（31）分别与密闭工作腔（30）相连，排气装置（1）在密闭工作腔（30）左边，其排气管位于五轴联动工作台（29）的下部，金属纳米颗粒回收装置（31）在密闭工作腔（30）右边，排气装置（1）用于排出密闭工作腔（30）里的气体，金属纳米颗粒回收装置（31）回收多余的金属纳米颗粒（28）。
2.实施权利要求1所述冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化装置的方法，纳米粒子喷头到工件表面的距离为5mm～8mm；金属纳米颗粒的粒度为10nm～50nm；所述的金属纳米颗粒为碳化钛、碳化硅；压缩的气体为空气；气压压力为0.5MPa～3.0MPa；气体流速为240 m/s～1000m/s；黑漆的输出压力为480～500kpa；锥形孔的喷口直径为2mm，锥角为28°；高功率脉冲激光装置发出的激光脉宽为5ms～100ms可调；能量在10J～100J可调；光斑调节装置的光斑直径为0.5mm～12mm，其特征在于，具体步骤如下：
A、工件（25）进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并把工件（25）固定在五轴联动工作台（29）上，调整好五轴联动工作台（29）到纳米粒子喷头（20）之间的垂直距离；
B、启动空气压缩机（9）和排气装置（1），通过压力控制器（12）调节空气的压力和流速；
C、控制和调节送漆装置（13），使黑漆（21）从锥形孔（24）里呈雾状喷出；
D、调节高功率脉冲激光装置（5）参数和光斑调节装置（8）参数；黑漆（21）吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波（33），冲击波（33）产生的强大推力对金属纳米颗粒（28）不断加速，使其以最大速度冲击工件（25）表面并嵌入工件（25）表面形成纳米层；
E、金属纳米颗粒回收装置（31）回收多余的金属纳米颗粒（28），重复利用；
F、清洗工件（25）表面未气化电离的黑漆（21）。
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