CN106862773A - 一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法：第一步：取样切块为20mm×20mm×5mm，利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min；第二步：利用纳秒激光器对金属表面进行表面织构化结构加工，激光的波长193nm‑1070nm，重复频率1‑100KHz，输出功率5‑45W，加工次数20‑40次；第三步：在酒精中用超声波清洗10min，并做必要的测量表征。经过织构化处理的镍铬合金表面耐磨性可以提高1‑2倍，摩擦系数降低30％‑65％。本发明相对于传统织构化方法的突破在于大大提高了加工效率和精度，加工区域和尺寸范围可根据实际需要灵活调整。这对镍铬合金表面织构化结构的制备和摩擦学特性研究具有重要的意义。

Description

一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法
技术领域
本发明涉及一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，尤其是一种利用纳秒激光器在镍铬合金表面加工织构化结构以提高其抗磨损性能的方法，属于金属材料激光微加工领域。
背景技术
材料的磨损是机械工作过程中不可避免的问题，这不仅增加了生产成本，降低了工作效率甚至严重影响产品质量。如调速器的主衬套和转动套的磨损影响调速器的灵敏度；刀具的磨损影响刀具的加工质量和使用寿命；球磨机钢球的磨损影响球磨机性能；齿轮的磨损影响传动的精度和可靠性等。为了避免或者减轻摩擦磨损造成的恶劣影响，已经研究出多种方法对工件材料进行处理，提高其表面的耐磨性能。常见的方法有在材料表面添加镀层材料、进行热处理、改善零部件间的润滑、进行表面冲击强化处理等。
随着激光加工技术的不断发展，其在微结构加工方面的应用也越来越广泛。利用激光直写系统在金属表面加工织构化结构，提高材料的摩擦特性成为一种快捷高效的表面处理方法。该技术已应用到机床涂层刀具的表面织构化提高其使用寿命；金刚石表面织构化然后镀掺钛的类金刚石薄膜提高减摩抗磨性能；金属塑性成形模具表面织构化自润滑处理提高表面润滑性能的优化分布等很多实际工程问题中。
针对镍铬合金的磨损失效问题，本发明提出利用纳秒激光在镍铬合金表面加工织构化结构以提高其耐磨性，进而延长其使用寿命，提高工业生产的效率并降低生产成本的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，主要是针对镍铬合金耐磨性不足的问题，利用纳秒激光器在镍铬合金表面加工织构化结构以提高其抗磨损性能。本发明的实验流程如图1。
为了达到以上的目的，本发明一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，采用如下的技术解决方案：
第一步：取样切块为20mm×20mm×5mm，利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
第二步：利用纳秒激光器(型号HR-Eagle60LMS)对金属表面进行表面织构化结构加工，激光的波长193nm-1070nm，重复频率1-100KHz，输出功率5-45W，加工次数20-40次。
第三步：在酒精中用超声波清洗10min，并做必要的测量表征。
其中，所述第二步中进行表面织构化结构加工，加工出的沟槽结构的宽度50-120μm，沟槽的间距是100-400μm，沟槽深度10-30μm。
其中，所述第二步中进行表面织构化结构加工，加工出的网格结构的宽度80-150μm，间距是80-400μm，结构深度10-30μm。
本发明的积极效果为：
(1)该方法加工速度更快，有望在实际生产中提高生产效率，节约生产成本，提高经济效益。
(2)该方法在镍铬合金材料表面加工微米尺度的织构化结构，可以使其表面耐磨性可以提高1-2倍，摩擦系数降低30％-65％，摩擦磨损性能有了很大的提高。
(3)该方法利用激光直写系统，可以通过改变激光参数如功率、频率、加工次数、微结构宽度、微结构间距等进行精确控制，能得到不同的结构和参数的织构化结构，相对传统的织构化方法加工更加方便安全，范围也更广。
附图说明
图1加工实验流程图。
图2织构化沟槽结构及摩擦实验磨痕三维形貌。
图3织构化网格结构及摩擦实验磨痕三维形貌。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明的实施过程进行详细的阐述。
实施例1：
步骤1.取样品切块20mm×20mm×5mm，然后利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长193nm，重复频率1KHz，功率5W，加工次数20次；沟槽结构宽度50μm，间距100μm，深度10μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3.实验样品放于酒精中超声波清洗10min。
实施例2：
步骤1同实施例1。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长532nm，重复频率10KHz，功率15W，加工次数30次；沟槽结构宽度80μm，间距200μm，深度15μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3同实施例1。
实施例3：
步骤1同实施例1。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长1064nm，重复频率50KHz，功率25W，加工次数35次；沟槽结构宽度100μm，间距300μm，深度20μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。织构化沟槽结构及摩擦实验磨痕三维形貌见附图2。
步骤3同实施例1。
实施例4：
步骤1同实施例1。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长1064nm，重复频率100KHz，功率45W，加工次数40次；沟槽结构宽度120μm，间距400μm，深度30μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3同实施例1。
实施例5：
步骤1.取样品切块20mm×20mm×5mm，然后利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长193nm，重复频率1KHz，功率5W，加工次数20次；网格结构宽度80μm，间距80μm，深度10μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3.实验样品放于酒精中超声波清洗10min。
实施例6：
步骤1.取样品切块20mm×20mm×5mm，然后利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长532nm，重复频率10KHz，功率15W，加工次数30次；网格结构宽度100μm，间距150μm，深度15μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3.实验样品放于酒精中超声波清洗10min。
实施例7：
步骤1.取样品切块20mm×20mm×5mm，然后利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长1064nm，重复频率50KHz，功率25W，加工次数35次；网格结构宽度120μm，间距250μm，深度25μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。
步骤3.实验样品放于酒精中超声波清洗10min。
实施例8：
步骤1.取样品切块20mm×20mm×5mm，然后利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min。
步骤2.启动纳秒激光器及配套的软件系统，设定扫描区域10mm×20mm，激光波长1064nm，重复频率100KHz，功率45W，加工次数40次；网格结构宽度150μm，间距400μm，深度30μm；利用红光进行被加工样品的定位，开始标刻直至完成设定的加工次数。织构化网格结构及摩擦实验磨痕三维形貌见附图3.
步骤3.实验样品放于酒精中超声波清洗10min。

Claims (3)

1.一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步：取样切块为20mm×20mm×5mm，利用砂纸对样品进行打磨至表面粗糙度小于0.5μm，并用超声波在酒精中清洗10min；
第二步：利用纳秒激光器对金属表面进行表面织构化结构加工，激光的波长193nm-1070nm，重复频率1-100KHz，输出功率5-45W，加工次数20-40次；
第三步：在酒精中用超声波清洗10min，并做必要的测量表征。
2.根据权利要求1所述的一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，其特征在于：所述第二步中进行表面织构化结构加工，加工出的沟槽结构的宽度50-120μm，沟槽的间距是100-400μm，沟槽深度10-30μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高镍铬合金表面耐磨性的激光织构化方法，其特征在于：所述第二步中进行表面织构化结构加工，加工出的网格结构的宽度80-150μm，间距是80-400μm，结构深度10-30μm。
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