CN103341694A - 一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，选用K9玻璃作为溅射基体；选用钛作为第一溅射靶、铝作为第二溅射靶，通过两次磁控溅射获得Ti-Al复合膜层，Ti-Al复合膜层作为激光驱动飞片的吸收/烧蚀层；将金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层上；在飞片和Ti-Al复合膜层间施加压力，并放置于恒温装置中；将飞片和Ti-Al复合膜层从恒温装置中取出，形成复合飞片。通过本发明方法制备的复合飞片，激光能量利用率高，飞片完整性好；能获得完整性好的飞片，提高成型性能；通过制备参数的调整，可以获得不同性能的复合飞片，该方法方便可靠、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。

Description

一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，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，即通过激光驱动飞片加载的方式代替激光直接冲击，将激光能量转化为飞片的动能，高速运动的飞片作为激光能量的载体，飞行一段距离后与工件材料发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波使材料在微型模具内产生超快塑性变形，从而实现工件在微模具中的精确成形。

激光驱动飞片成形技术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。其中飞片的质量对最终的成型效果有很大的影响，飞片的速度和平面性、完整性是飞片的主要性能指标。目前在激光驱动飞片成形工艺中飞片靶的制备主要有以下几种方法：磁控溅射镀膜法、涂层粘膜法和胶粘剂粘膜法。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，等离子体泄露和飞片速度不高。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，导致飞片表形貌不平整。同样造成激光能量耦合效率低，飞片速度不高，平面性不好，最终降低飞片的冲击成型能力。

磁控溅射溅射技术是一种十分有效的镀膜工艺，被普遍应用于微电子、光学薄膜和材料表面处理领域，主要用于薄膜沉积和表面覆盖层的制备。磁控溅射镀膜法容易实现多层膜制备，可以实现多种金属膜的制备，是现阶段国内外最常用镀膜工艺。吴扬微等人对磁控溅射制备钛膜的结构和性能做了研究；陈国良，杨栋华等人分别对磁控溅射制备铝膜做了研究。利用磁控溅射技术可以制备质量较好的复合膜层。低粘度环氧树脂（Hysol E-30CL）可以粘接大多数材料包括玻璃，光纤，陶瓷，金属和许多坚硬的塑料。形成的胶层具有低收缩性，优良抗冲击性能，可以耐大多数化学药品和溶剂，并且在比较宽的温度范围内具有较好的尺寸稳定性。 

发明内容

针对现有技术中激光驱动飞片成形工艺中存在的因飞片与基体的结合力不强、激光能量耦合效率低、飞片速度低和完整性不好，导致激光冲击飞片的成形能力和成形质量不高的问题，提出一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）选用K9玻璃作为约束层，并作为溅射基体；

（2）选用钛作为第一溅射靶、铝作为第二溅射靶，通过两次磁控溅射获得Ti-Al复合膜层，所述Ti-Al复合膜层作为激光驱动飞片的吸收/烧蚀层；

（3）将作为飞片的金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层上；

（4）在飞片和Ti-Al复合膜层间施加压力，并放置于恒温装置中；

（5）将飞片和Ti-Al复合膜层从恒温装置中取出，形成复合飞片。

作为本发明的进一步改进，所述制备方法的制备环境为真空。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）之前先用丙酮和无水酒精清洗K9玻璃并吹干。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）中选用纯度为99.99%的钛作为第一溅射靶、纯度为99.99%的铝作为第二溅射靶。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中选用低粘度环氧树脂将金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层中心。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（4）中施加压力为0.1-0.5MPa，放置于恒温装置中24小时，温度为25℃。

作为本发明的进一步改进，所述飞片为通过冲裁获得的直径3mm左右的金属箔或非金属箔。

本发明的有益效果是：

通过本发明一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法制备的复合飞片，激光能量利用率高，飞片完整性好，克服了以前激光驱动飞片成型中单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，提高成型性能。通过制备参数的调整，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。

附图说明

图1是一种使用本发明中复合飞片的激光驱动飞片间接微成形装置示意图；

图2是复合飞片及其相关部件的结构示意图。 

图3是复合飞片冲击成型过程示意图。

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.特制模具，14.定位凹槽，15.K9玻璃，16.钛膜，17.铝膜，18.冲裁飞片，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为一种使用本发明中复合飞片的激光驱动飞片间接微成形装置示意图。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激光整形器6、反射镜5和聚焦透镜4最终传递到定位成形装置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1上，三维移动平台2的位移调整是由计算机10控制的三维移动平台控制器9来调控的。

图2为本发明中复合飞片及其相关部件的结构示意图。由压边圈11，K9玻璃15，钛膜16，铝膜17，冲裁飞片18，飞行腔12，特制模具13，靶材工件19，定位凹槽14组成。钛膜15通过磁控溅射溅射在K9玻璃15表面上，铝膜17通过磁控溅射溅射在钛膜15上形成双膜层，通过专用冲裁获得直径3mm金属箔飞片18，用低粘度环氧树脂粘贴在双膜层中心处，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15上，完成精确的装配定位。

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。

一种激光间接微成形中复合飞片的制备方法的步骤包括：

开始→根据成形工件的成形要求→结合激光参数，溅射不通厚度的钛膜和铝膜→根据成型工件的特性选择冲裁的金属箔→通过定位装配成形定位系统→将脉冲激光作用于定位成形系统→清洗工件及模具→结束。

本发明一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，采用磁控溅射工艺，实现在K9玻璃约束层上完成Ti-Al复合膜层的镀膜工艺。通过专用冲裁装置获得直径3mm左右的金属箔或非金属箔，粘贴在Ti-Al复合膜层的中心形成复合飞片。选用Ti-Al复合膜层作为激光驱动飞片的吸收/烧蚀层，冲裁金属箔或非金属箔作为最终冲击板材的飞片。镀膜工艺的制备环境为真空，用丙酮和无水酒精清洗K9玻璃并吹干，作为溅射基体。选用纯度为99.99%的钛靶作为第一溅射靶，纯度为99.99%的铝作为第二溅射靶，通过两次溅射工艺获得Ti-Al复合膜层。选用低粘度环氧树脂（Hysol E-30CL）将直径3mm左右的金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层中心。通过压力控制装置在铜箔和Ti-Al膜层间施加0.1-0.5MPa压力，并放置于恒温装置中24小时，温度为25℃。

本发明一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法首次提出用磁控溅射工艺和粘接法制备Ti-Al复合飞片。在制备中使用纯度99.99%的钛和99.99%的铝作为溅射靶材，用丙酮和无水酒精分别超声清洗光学介质15 min，最后用去离子水冲洗干净, 放入氮气炉中烘干待用。采用直流磁控溅射法在光学介质K9玻璃上溅射钛，然后在钛膜的表层上溅射铝，通过调整溅射功率，沉积速度，溅射时间等因素，来控制钛膜和铝膜的厚度和厚度比。该工艺实现了复合飞片中光学介质K9玻璃和飞片层之间的紧密结合，获得高连接强度。通过专用冲裁获得直径3mm左右的金属箔或非金属膜层，通过专用定位装置，用低粘度环氧树脂将其贴于Ti-Al复合膜层中心处，完成复合飞片的制备，充分保证了飞片的平面完整性。

在复合飞片制备中，使用钛作为吸收层，取代了以往黑漆和铝。与以往的铝和黑漆相比，钛的反射率约为0.615，铝约为0.985，黑漆在0.08-0.26之间。在汽化形成等离子体时，钛需要汽化能量约为9.85kJ/g，铝约12kJ/g，黑漆约为59.74kJ/g。在相同激光能量的照射下，通过三者的比较，钛最适合作为吸收层材料。钛具有相对低的反射率，形成等离子体时，汽化能量消耗小，从而提高激光能量耦合效率。

本发明运用镀膜和粘接技术制备激光间接微成型中的飞片。通过磁控溅射工艺，实现在光学介质上沉积Ti-Al复合膜。通过专用冲裁装置或者剪裁装置获得直径3mm左右的金属箔或者非金属箔，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。该方法制备的复合飞片取代了激光驱动飞片间接微成型中的单层飞片，该复合飞片中光学介质和复合飞片紧密连接，能提高激光能量耦合效率和保证飞片的完整性。该方法适和激光驱动飞片间接微成形中飞片的制备，可以提高飞片的速度和完整性，从而使激光驱动飞片的成形能力和成形质量得到提高。该方法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，提高激光驱动飞片成形工艺中的工件成形能力和成形质量。

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 (7)

1.一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）选用K9玻璃作为约束层，并作为溅射基体；

（2）选用钛作为第一溅射靶、铝作为第二溅射靶，通过两次磁控溅射获得Ti-Al复合膜层，所述Ti-Al复合膜层作为激光驱动飞片的吸收/烧蚀层；

（3）将作为飞片的金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层上；

（4）在飞片和Ti-Al复合膜层间施加压力，并放置于恒温装置中；

（5）将飞片和Ti-Al复合膜层从恒温装置中取出，形成复合飞片。

2.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述制备方法的制备环境为真空。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）之前先用丙酮和无水酒精清洗K9玻璃并吹干。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中选用纯度为99.99%的钛作为第一溅射靶、纯度为99.99%的铝作为第二溅射靶。

5.根据权利要求1或2所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中选用低粘度环氧树脂将金属箔或非金属箔粘贴在Ti-Al复合膜层中心。

6.根据权利要求1或2所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中施加压力为0.1-0.5MPa，放置于恒温装置中24小时，温度为25℃。

7.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形中复合飞片的制备方法，其特征在于：所述飞片为通过冲裁获得的直径3mm的金属箔或非金属箔。

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