CN106086390A - 一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法 - Google Patents

一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，涉及激光加工与材料学领域，通过在基体表面利用光刻腐蚀的方法制作出非光滑表面，将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加，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非光滑表面，复制了其复杂的表面特征并保留了非光滑表面的特性，同时大幅增强了其表面硬度与耐磨性。本发明可应用于轴承等对表面性能要求高的关键部件。

Description

一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法
技术领域
本发明涉及激光加工与材料学领域，特指一种利用光刻胶的方法在合金基体表面制备出非光滑表面的表面特征，并通过激光冲击的方法在非光滑表面冲击植入纳米颗粒，复制其复杂的表面特征与非光滑表面特性，并大幅增强其表面硬度与耐磨性。
背景技术
许多动物体表的沟槽型(助条样)、鳞片型、凸包型和凹坑型形态和结构与其生活习性相适应，他们特异的微结构使非光滑表面具有优异的减阻、减摩、抗粘附和抗磨损的特性，因此成为仿生学研究和应用的一个新领域。生物体的表面结构是非光滑的，所谓的非光滑表面是指在界面粘附系统中，若一个光滑表面内的任何宏观区块上存在一个或几种因素构成的非光滑效应，则该表面为非光滑表面。
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。
通常方法制造出的非光滑表面表面特征强度低，很容易发生局部表面特征破损，降低非光滑表面的使用寿命，且表面硬度与耐磨性不高。现有的专利如公开号为CN102191497A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，但是不能制作出非光滑表面，无法获得非光滑表面的特有性能。
为解决上述问题，通过对非光滑表面特性以及纳米碳基薄膜性能的研究，提出一种新型的制作合金基体表面非光滑纳米碳基薄膜的方法，其在制备非光滑表面的基础上植入纳米颗粒，获得非光滑表面的特有性能并提高其表面硬度与耐磨性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，以提高非光滑表面表面特征强度、使用寿命、表面硬度和耐磨性。为了解决以上技术问题，本发明采用具体技术方案如下：
一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，合金基体表面预处理：采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理(200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍，并完成必要的裂纹探测过程；
步骤二，制作非光滑表面：在所述合金基体表面待加工区域覆盖上一层光刻胶，利用光照刻画出复杂的合金基体表面特征，然后用腐蚀液腐蚀掉被曝光的部分，从而制作出非光滑表面；
步骤三，将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加；然后覆盖上约束层，并将其安装在五轴工作台上；
步骤四，通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数；用强脉冲激光冲击合金基体表面，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非光滑表面，复制了其复杂的表面特征并保留了非光滑表面的特性，同时大幅增强了其表面硬度与耐磨性；
步骤五，通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体非光滑表面待冲击区域的左上角重合在A点，作为冲击强化处理起始位置，并使待冲击区域X轴和Y轴方向与工作台的X轴和Y轴方向一致；
步骤六，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试样待加工表面进行激光冲击强化，设定行间和列间光斑搭接率为20％-80％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化并获得非光滑纳米碳基薄膜。
所述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；约束层材料为K9玻璃。
所述柔性混合吸收层的成分按质量分数计算为：45％的黑漆、45％的纳米陶瓷粉末和10％的用来改善激光吸收层柔性的柔性添加剂；所述柔性添加剂按重量含量由23～50％多元醇、35～65％芳香多元酸、0～10％脂肪多元酸、0～2％支化剂、10～20％酸解剂、0.01～0.15％酯化催化剂混合均匀制成。
所述光刻胶为正性胶，采用含有叠氮醌类化合物的材料，经光照后会发生光分解反应，由油溶性变为水溶性；所述光刻胶经过曝光后，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形。
本发明具有有益效果。本发明通过采用光刻胶腐蚀的方法可以在合金基体表面制备出具有复杂表面特征的非光滑表面，且在激光冲击波的作用下，非光滑表面纳米颗粒的吸附作用得到进一步强化，同时有一部分纳米颗粒植入到非光滑表面，复制了其复杂的表面特征并保留了非光滑表面的特性，提高了非光滑表面表面特征强度，同时大幅增强了其表面硬度与耐磨性。
附图说明
图1为本发明激光冲击强化装置示意图。
图2为本发明鲨鱼皮肤非光滑表面的显微结构。
图3a为本发明光刻胶腐蚀制出的非光滑表面仿制品，即所仿制生物表面制作的非光滑表面。
图3b为本发明制备的非光滑纳米碳基薄膜。
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.柔性混合吸收层，6.试样，7.五轴工作台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明提供了一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，在合金基体表面通过光刻胶光照曝光并腐蚀的方法制备出非光滑表面的表面特征，然后利用激光冲击波冲击植入纳米颗粒，复制出非光滑纳米碳基薄膜，并提高其表面硬度与耐磨性。
实例1：
选取镁合金作为研究对象，将镁合金制成50×20mm×5mm的块状试样，采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理(200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍，并完成必要的裂纹探测过程，确定试样表面没有明显的裂纹与缺陷。
在试样基体表面待加工区域覆盖上一层光刻胶，利用光照刻画出鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征，如图2所示。受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形，然后对被曝光的部分进行腐蚀处理，得到鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征，如图3a所示。
将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，然后覆盖上约束层K9玻璃，并将其安装在五轴工作台上。
通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数：波长1064nm，脉冲宽度设定为10ns，单次脉冲能量设为10J，光斑半径设为3mm。
通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体非光滑表面待冲击区域的左上角重合在A点，作为冲击强化处理起始位置，并使网格区域的X轴和Y轴方向与工作台的X轴和Y轴方向一致。
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试样待加工表面进行激光冲击强化，设定行间和列间光斑搭接率80％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化，实现纳米颗粒的冲击植入及非光滑纳米碳基薄膜的制备，如图3b所示。激光冲击强化装置如图1所示。
本实施例在镁合金表面制作出仿生非光滑纳米碳基薄膜，采用显微硬度仪测试了其硬度为298HV，较传统方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了43％。
实例2：
采用金相砂纸将待处理镁合金试样进行逐级磨削处理(200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍，并完成必要的裂纹探测过程，确定试样表面没有明显的裂纹与缺陷。
在试样基体表面待加工区域覆盖上一层光刻胶，利用光照刻画出鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形，然后对被曝光的部分进行腐蚀处理，得到鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征。
将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，然后覆盖上约束层K9玻璃，并将其安装在五轴工作台上。
通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数：波长1064nm，脉冲宽度设定为8ns，单次脉冲能量设为6J，光斑半径设为2mm。
通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体非光滑表面待冲击区域的左上角重合在A点，作为冲击强化处理起始位置，并使网格区域的X轴和Y轴方向与工作台的X轴和Y轴方向一致。
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试样待加工表面进行激光冲击强化，设定行间和列间光斑搭接率50％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化，实现纳米颗粒的冲击植入及非光滑纳米碳基薄膜的制备。
本实施例在镁合金表面制作出仿生非光滑纳米碳基薄膜，采用显微硬度仪测试了其硬度为261HV，较传统方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了35％。
实例3：
采用金相砂纸将待处理镁合金试样进行逐级磨削处理(200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍，并完成必要的裂纹探测过程，确定试样表面没有明显的裂纹与缺陷。
在试样基体表面待加工区域覆盖上一层光刻胶，利用光照刻画出鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形，然后对被曝光的部分进行腐蚀处理，得到鲨鱼皮肤非光滑表面的表面特征。
将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，然后覆盖上约束层K9玻璃，并将其安装在五轴工作台上。
通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数：波长1064nm，脉冲宽度设定为5ns，单次脉冲能量设为1.5J，光斑半径设为1mm。
通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体非光滑表面待冲击区域的左上角重合在A点，作为冲击强化处理起始位置，并使网格区域的X轴和Y轴方向与工作台的X轴和Y轴方向一致。
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试样待加工表面进行激光冲击强化，设定行间和列间光斑搭接率20％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化，实现纳米颗粒的冲击植入及非光滑纳米碳基薄膜的制备。
本实施例在镁合金表面制作出仿生非光滑纳米碳基薄膜，采用显微硬度仪测试了其硬度为183HV，较传统方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了21％。

Claims (4)

1.一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，合金基体表面预处理：采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理，并放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍，并完成必要的裂纹探测过程；
步骤二，制作非光滑表面：在所述合金基体表面待加工区域覆盖上一层光刻胶，利用光照刻画出复杂的合金基体表面特征，然后用腐蚀液腐蚀掉被曝光的部分，从而制作出非光滑表面；
步骤三，将纳米陶瓷颗粒与黑漆相结合制成柔性混合吸收层覆盖在非光滑表面上，利用纳米粒子表面吸附的尺寸效应使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常数随着尺寸的减小而增加；然后覆盖上约束层，并将其安装在五轴工作台上；
步骤四，通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数；用强脉冲激光冲击合金基体表面，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非光滑表面，复制了其复杂的表面特征并保留了非光滑表面的特性，同时大幅增强了其表面硬度与耐磨性；
步骤五，通过数控系统调节五轴工作台使激光束光斑中心与基体非光滑表面待冲击区域的左上角重合在A点，作为冲击强化处理起始位置，并使待冲击区域X轴和Y轴方向与工作台的X轴和Y轴方向一致；
步骤六，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试样待加工表面进行激光冲击强化，设定行间和列间光斑搭接率为20％-80％，最终完成对整个待冲击区域的冲击强化并获得非光滑纳米碳基薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，其特征在于：所述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；约束层材料为K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，其特征在于：所述柔性混合吸收层的成分按质量分数计算为：45％的黑漆、45％的纳米陶瓷粉末和10％的用来改善激光吸收层柔性的柔性添加剂；所述柔性添加剂按重量含量由23～50％多元醇、35～65％芳香多元酸、0～10％脂肪多元酸、0～2％支化剂、10～20％酸解剂、0.01～0.15％酯化催化剂混合均匀制成。
4.根据权利要求1所述的一种合金基体表面制备仿生非光滑纳米碳基薄膜的方法，其特征在于：所述光刻胶为正性胶，采用含有叠氮醌类化合物的材料，经光照后会发生光分解反应，由油溶性变为水溶性；所述光刻胶经过曝光后，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形。
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