CN103341693A - 一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片 - Google Patents

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袁耀强
沈宗宝
顾春兴
张强
陆萌萌
刘会霞
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Abstract

本发明公开了一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，该复合飞片为三层结构，包括通过磁控溅射在作为约束层的光学介质K9玻璃上制备的Ti膜吸收层、在Ti膜吸收层上制备的Al膜烧蚀层、通过冲裁装置获得的直径3mm的Al冲击飞片，Ti膜吸收层和Al膜烧蚀层组成Ti-Al膜层，Al冲击飞片粘贴在Ti-Al膜层的中心形成复合飞片。使用本发明的复合飞片后，成形工件的压印深度统一，成形质量好；复合飞片的完整性和稳定性高，工件在与飞片碰撞变形过程中受力更均匀，飞片的成形能力和成形质量明显提高；本发明的复合飞片与K9玻璃的连接强度高、激光能量耦合效率高、飞片的完整性好。

Description

一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片
技术领域
本发明涉及一种激光间接微压印成形中的复合飞片，属于激光先进制造技术领域。 
背景技术
激光驱动飞片成形技术是一种新型高压高应变率成形技术，不仅能够实现常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微成形，而且可以很好的保护成形工件的表面质量。在激光直接冲击微压印成形中，激光对工件表面质量有所损害，并且成形能力相对较弱。激光驱动飞片微压印成形技术可以提高成形能力和工件质量，但飞片质量对最终的成型效果有很大的影响，飞片的速度、平面性和完整性是飞片的主要性能指标。
以往飞片多是匀质单飞片，成型中存在一些问题：飞片与光学介质的连接强度不高，激光能量耦合效率低和飞片完整性不好。例如发明专利申请号为200810023264.3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置和申请号为201010505882. 9的中国专利一种激光间接复合微塑性成形装置及方法。都提出采用水或者硅胶将约束层和飞片粘附在一起制备成飞片靶，该方法制备工艺粗糙。不能实现涂层厚度的精确控制，连接强度不高。导致激光能量耦合效率低，等离子体泄露，飞片速度不高。申请号为201210136975.8的中国专利一种飞片靶及其制备装置和用途提出用阳极键合的方法实现铝和约束层的连接，连接强度高，但是铝的反射率高，激光吸收率低，激光直接作用在飞片上，飞片表面形貌不平整，完整性不好，同样降低了飞片的冲击成型能力。
发明内容
针对现有技术中激光驱动飞片微压印成形技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，在激光冲击微压印成形中，避免激光对工件表面质量的损害，改善激光驱动飞片成形工艺中飞片与约束层的结合力不强、激光能量耦合效率低、飞片速度低和完整性不好的现象。
本发明的技术方案是：
一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述复合飞片为三层结构，包括通过磁控溅射在作为约束层的光学介质K9玻璃上制备的Ti膜吸收层、在Ti膜吸收层上制备的Al膜烧蚀层、通过冲裁装置获得的直径3mm的Al冲击飞片，所述Ti膜吸收层和Al膜烧蚀层组成Ti-Al膜层，所述Al冲击飞片粘贴在Ti-Al膜层的中心形成复合飞片。
作为本发明的进一步改进，所述Ti膜吸收层厚度为12nm、Al膜烧蚀层厚度为250nm、Al冲击飞片厚度为16um。
作为本发明的进一步改进，所述复合飞片使用于激光驱动飞片间接微成型装置中，所述激光驱动飞片间接微成型装置包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统，所述成形系统包括模具、放置于模具上的靶材工件、设置于靶材工件上方的飞行腔、设置于飞行腔上的约束层、压设于约束层上用于使约束层精确定位的压边圈，所述复合飞片设置于所述约束层下表面上。
作为本发明的进一步改进，所述平台移动系统包括三维移动平台和L型底座；所述成形系统通过三维移动平台固定于L型底座上。
作为本发明的进一步改进，所述控制系统包括三维移动平台控制器、激光控制器、计算机，计算机通过三维移动平台控制器控制三维移动平台的平面移动，通过激光控制器控制纳秒激光器的工作状态。
本发明的有益效果是：
使用本发明一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片后，成形工件的压印深度统一，获得了较好地成形质量。复合飞片的完整性和稳定性得到进一步提高，工件在与飞片碰撞变形过程中能够受力更均匀，使飞片的成形能力和成形质量得到明显提高。本发明一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片制作简单，该飞片与K9玻璃的连接强度高、激光能量耦合效率高、飞片的完整性好。
附图说明
图1是激光驱动飞片间接微成型装置的结构示意图；
图2是包含有复合飞片的成形系统的结构示意图； 
图3是复合飞片冲击成型过程示意图；
图4是采用单飞片冲击微压印成形的工件三位形貌图；
图5是采用复合飞片冲击微压印成形的工件三维形貌图。
图中：1.L型底座，2.三维移动平台，3.定位成形装置，4聚焦透镜，5.反射镜，6.激光整形器，7.纳秒激光器，8.激光控制器，9.三维移动平台控制器，10.计算机，11.压边圈，12.飞行腔，13.模具，14.定位凹槽，15.约束层，16. Ti膜吸收层，17. Al膜烧蚀层，18. Al冲击飞片，19.靶材工件。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明进行激光驱动飞片间接微成型装置示意图。计算机10控制激光控制器8，激光控制器8可对纳秒激光器7发出的脉冲激光参数进行调整。纳秒激光器发出的脉冲激光经反射镜5和聚焦透镜4最终传递到定位成形系统3上。定位成形装置3安装在三维移动平台2上。三维移动平台2安装在L型底座上，三维移动平台2的位移调整由计算机10控制的三维移动平台控制器9来调控。
图2为包含有本发明所述复合飞片的成形系统的结构示意图。由压边圈11、约束层15（采用K9玻璃）、Ti膜吸收层16、Al膜烧蚀层17、Al冲击飞片18、飞行腔12、模具13、靶材工件19、定位凹槽14组成。Ti膜吸收层16通过磁控溅射溅射在K9玻璃表面上，Al膜烧蚀层17通过磁控溅射溅射在钛膜16上形成Ti-Al膜层，通过专用冲裁装置获得直径3mmAl冲击飞片18，用低粘度环氧树脂粘贴在Ti-Al膜层中心处，形成复合飞片。定位凹槽14通过螺栓与三位移动平台2固定，特制模具13和靶材工件19先后放于定位凹槽14内，飞行腔12放于靶材工件19上，复合飞片放置于飞行腔12定位槽内，压边圈11放于K9玻璃上，完成精确的定位。
图3为复合飞片冲击成型过程示意图，其具体过程如下：
激光经过聚焦透镜4传递到定位成形系统3上，首先通过K9玻璃辐照在钛膜表面上，烧蚀产生高温高压等离子体，同时烧蚀一部分铝膜。在激光脉宽时间内等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，由于K9玻璃的阻挡，爆炸等离子体迅速向飞片方向喷溅，其反冲作用力达到铝膜的剪切强度时剪切剩余铝膜，剩余铝膜和粘贴的金属箔形成成形飞片高速向靶材工件飞行。飞片飞行一段距离后，高速冲击在靶材工件上，行成冲击波。靶材工件在冲击波和特置模具的限制下发生塑性变形。
图4为采用单飞片冲击微压印成形的工件三位形貌图，由于飞片平整性较差，压印深度深浅不同，成形工件表面质量较差。图5为采用专利方法制备的复合飞片冲击成形的工件三维形貌图，可以看出成形工件的压印深度统一，获得了较好地成形质量。说明复合飞片的完整性和稳定性得到进一步提高，工件在与飞片碰撞变形过程中能够受力更均匀，使飞片的成形能力和成形质量得到明显提高。
该复合飞片适合对平面性要求有要求的激光驱动飞片微压印成形中，该飞片激光利用率高，飞片完整性好，克服了以前激光驱动飞片成型中飞片存在的一些不足，可以很好的将激光能量转化为飞片的动能，获得完整性好的飞片，提高工件成形性能。通过复合飞片的结构参数调整，可以获得不同性能的复合飞片，本发明制备复合方法方便可靠，工艺简单，制备效率高，制备成本较低，可用于工业大规模生产和应用。该复合飞片能够提高激光能量耦合效率，获得稳定性和完整性好的飞片，从而提高激光驱动飞片微压印的成形能力和工件成形质量。
本发明所述一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，在K9玻璃上完成Ti-Al复合膜层的制备。通过专用冲裁装置获得直径大约3mm的铝箔，并通过低粘度环氧树脂粘贴在Ti-Al复合膜中心处形成复合飞片。此复合飞片与激光驱动飞片间接微成型中的单层铝飞片相比，飞片与K9玻璃的连接强度高，激光能量耦合效率高和飞片的完整性好。复合飞片适用于激光驱动飞片间接微压印成形，使激光驱动飞片压印成形能力和工件成形质量得到提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述复合飞片为三层结构，包括通过磁控溅射在作为约束层（15）的光学介质K9玻璃上制备的Ti膜吸收层（16）、在Ti膜吸收层（16）上制备的Al膜烧蚀层（17）、通过冲裁装置获得的直径3mm的Al冲击飞片（18），所述Ti膜吸收层（16）和Al膜烧蚀层（17）组成Ti-Al膜层，所述Al冲击飞片（18）粘贴在Ti-Al膜层的中心形成复合飞片。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述Ti膜吸收层（16）厚度为12nm、Al膜烧蚀层（17）厚度为250nm、Al冲击飞片（18）厚度为16um。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述复合飞片使用于激光驱动飞片间接微成型装置中，所述激光驱动飞片间接微成型装置包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统，所述成形系统包括模具（13）、放置于模具（13）上的靶材工件（19）、设置于靶材工件（19）上方的飞行腔（12）、设置于飞行腔（12）上的约束层（15）、压设于约束层（15）上用于使约束层（15）精确定位的压边圈（11），所述复合飞片设置于所述约束层（15）下表面上。
4.根据权利要求3所述的一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述平台移动系统包括三维移动平台（2）和L型底座（1）；所述成形系统通过三维移动平台（2）固定于L型底座（1）上。
5.根据权利要求4所述的一种提高激光间接微压印成形能力的复合飞片，其特征在于：所述控制系统包括三维移动平台控制器(9)、激光控制器(8)、计算机(10)，计算机（10）通过三维移动平台控制器(9)控制三维移动平台（2）的平面移动，通过激光控制器(8)控制纳秒激光器（7）的工作状态。
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