CN107761042A

CN107761042A - 一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法

Info

Publication number: CN107761042A
Application number: CN201710930098.4A
Authority: CN
Inventors: 符永宏; 黄婷; 李勇军; 康正阳; 邹国文; 钟行涛; 李海波; 王浩; 郑峰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2018-03-06

Abstract

本发明主要涉及一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，属于激光加工技术应用于织构的表面工程领域。激光光源烧蚀涂层的同时调制激光功率形成短沟槽织构，若涂层与基体相匹配，烧蚀织构后不仅能增加两者之间的结合强度，还能优化基体表面的性能。多阵列短沟槽形貌具有流体减阻的作用，且减阻效果明显优于单排阵列。本表面加工的方法具有适用范围广、加工效率高、可重复性高等优点。

Description

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法

技术领域：

本发明涉及一种具有优异表面特性和减阻表现的涂层微织构的制备，属于激光加工技术应用于织构的表面工程领域。

背景技术：

基于现代表面技术的发展，微弧氧化、离子注入、等离子喷涂等技术由于其优异的膜（涂）层性能，受到广泛青睐，但这些技术自身也存在这样或那样的不足，如微弧氧化得到的膜层较脆、有孔；离子注入所得到的改性层非常薄，往往无法满足所需要的表面性能；等离子喷涂涂层具有典型的层状结构，涂层与基材间为机械结合，涂层结合强度较低，这限制了等离子喷涂的应用领域，而激光重熔能实现涂层与基体间的冶金结合，使结合强度明显提高，同时有效增加材料表面的韧性。

沟槽减阻是受鲨鱼皮表面结构的启发，在物体与流体接触的表面上布置微小的流向沟槽，来改变与黏性阻力紧密相关的湍流拟序结构，达到减少湍流阻力的目的，它以能源损耗低、减阻效果好等显著特点受到研究者的关注，美国航空航天局兰利研究中心的Walsh等通过试验发现顺流向的对称型沟槽在湍流条件下减阻率可达8%，王晋军等的沟槽板水槽试验表明局部阻力减少达13%--26%。刘占一等通过数值仿真计算显示有间隔排列的沟槽表面的减阻率可达到25%。

中国专利201310053067.7公开了一种利用表面微沟槽减阻降噪的高速面铣刀，其中刀体上设有若干微沟槽,微沟槽的方向与刀体旋转方向平行。微沟槽为在刀体外圆面上黏贴的微结构聚合物薄膜层,所述薄膜层与刀体之间结合强度足够克服高转速下的离心力。该专利利用刀体表面的微结构沟槽削弱猝发强度，实现湍流减阻降噪的目的,降低高速加工过程中的空气阻力和对环境的噪音影响。此专利中薄膜层和刀体之间的结合强度比较弱限制了铣刀的转速，影响了加工效率。

本发明采用激光烧蚀实现涂层与基体间的冶金结合，能明显提高结合强度。此外，这种沟槽阵列的表面加工方法减阻效果更好，有效改善了材料表面特性。发明内容

针对表面微织构的技术的不足，本发明提出了一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，解决了涂层与基体之间结合强度小，基底材料表面性能差，流体减阻效果弱等问题。

本发明的技术方案是：一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，所述总体包括基体材料、涂层和烧蚀织构合金短沟槽，在对基体材料涂覆涂层之后，激光烧蚀涂层和基体形成结合层加工出合金短沟槽阵列织构。激光烧蚀涂层和基体形成冶金结合层，能显著增加两者之间的结合强度；

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，具体包括如下步骤：

A.将基体抛光至镜面，对基体表面进行去污及去油处理，清洗并干燥充分；

B.将涂层沉积在基体材料表面上；

C.调制激光器对涂层进行烧蚀形成短沟槽阵列织构，表面获得规则织构化合金层。

所述涂层采用等离子喷涂制备、电弧喷涂、热喷涂中的一种或两种。

所述激光器采用固体脉冲激光器，波长为1064，脉冲宽度为200ns，重复频率2KHz，最大平均功率为70W，光束直径为50，速度为2~15mm/s。所述步骤C）中，激光加工路径相邻短沟槽的行间距为100µm。

所述短沟槽深度大于涂层厚度深入基底。所述涂层熔化部分气化，基材少量熔化气化。

所述涂层厚度为200~500µm。所述短沟槽阵列由2~8条短沟槽构成。所述短沟槽阵列的阵列数为2~3，相邻短沟槽阵列的行间距为100~150µm。短沟槽阵列沿液体介质流向进行分布。每个短沟槽展向长度为45~55 mm，流向长度为130~160 mm，垂向深度为200~500µm；所述展向垂直于流向。

沟槽表面占有率为60%~75%，所述沟槽表面占有率为沟槽阵列的总面积与基体表面总面积的比值。所述沟槽表面占有率为60%~75%，所述沟槽表面占有率为沟槽阵列的总面积占基体表面总面积的比值。

所述流向为液体流动方向，展向位于沟槽平面内且垂直于流向，垂向垂直于整个沟槽平面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过高能激光束，烧蚀涂层，使基材微熔，涂层合金元素与基体金属的相互扩散，生成冶金结合层，涂层与基体的结合力提升30%~70%。与单纯的涂层技术相比，涂层激光烧蚀织构后产生的结合层韧性更好。

2、与基体相匹配的涂层烧蚀织构后表面抗磨性、耐腐蚀性均会产生不同程度的提高，这是因为产生的结合层枝晶细小均匀，枝晶间偏析程度低，气孔较少，合金成分和相分布更均匀。

2、高能激光热影响区较小，避免了较大的变形和开裂。

3、控制激光参数，形成沟槽，改善流体润滑性能，减阻率可达10%~30%。

4、加工方便，效率高，激光烧蚀涂层的同时形成冶金结合层，工艺简单、易于控制。

附图说明

图1所示为本发明实施例中未织构化表面的剖面结构示意图。

图2所示为本发明实施例中每个沟槽阵列加工示意图。

图3所示为本发明实施例中织构化表面的剖面结构示意图。

图4所示为本发明实施例中两沟槽阵列流向排布图。

图5所示为本发明实施例中三沟槽阵列流向排布图。

图中，1、基体材料；2、涂层；3、冶金短沟槽织构层。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

图1所示为本发明实施例中未织构化表面的剖面结构示意图，所述涂层厚度为200~500。

图2 所示为本发明实施例中每个沟槽阵列加工示意图，一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，激光光束沿表面流向轨道加工基体表面，烧蚀涂层，基体微熔，形成沟槽。

图3所示为本发明实施例中织构化表面的剖面结构示意图，所述展向长度为45mm~55，流向长度为130mm~160，垂向深度为200~500m。

图4所示为本发明实施例中两沟槽阵列流向排布图，所述沟槽阵列沿流向排列。

图5所示为本发明实施例中三沟槽阵列流向排布图，排列方向与两沟槽阵列相同。

下面给出本发明的三个具体实施例：

实施例一：

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法的制备，该基体材料为碳钢，尺寸为，喷涂材料为钴基合金粉末，用等离子喷涂方法将粉末均匀地喷涂到基体上，形成涂层。具体制备步骤如下：

（1）预处理：将碳钢基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面汗渍及油污，干燥充分，进行预热处理。

（2）制备涂层：利用等离子喷涂技术将钴基合金粉末喷涂在碳钢上，其中等离子体喷涂电压为50V，电流为500A，氩气流量为3.9m³/h，氩气压力为0.42MPa，氦气流量为0.38m³/h，氦气压力为0.36MPa，送粉速度为40g/min，喷涂距离为

10mm，所用钴基合金粉末为Stellite6，这种材料C含量为1.1%，Si含量为1.1%，Mn含量为0.5%，Cr含量29%，Ni含量3%，W含量4%，Fe含量3%，Mo含量1%，涂层厚度为300。

（3）重熔织构：利用激光在表面进行重熔织构，同时改善表面组织，提高表面性能。激光重熔过程中采用氩气保护熔池，用固体脉冲激光器，波长1064nm，脉冲宽度200ns，对涂层沿流向进行扫描，其中功率65W，重复频率为10KHz，光束直径为50µm，速度为8mm/s，形成沟槽，阵列展向长度为55，流向长度为160，垂向深度为350µm。

（4）形成阵列：采用相同激光参数沿流向长度制备两个阵列，阵列间隔为120。

实施例二：

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法的制备，该基体材料为TC4钛合金板（Ti-6Al-4V），尺寸为，喷涂材料为微米级的Metcol30粉末和纳米结构的Al₂O₃-13wt%TiO₂陶瓷粉末，采用电弧喷涂形成涂层。具体制备步骤如下：

（1）预处理：将TC4钛合金基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面汗渍及油污，干燥充分，进行预热处理。

（2）制备涂层：利用等离子喷涂技术将Metcol30粉末和Al2O3-13wt%TiO2陶瓷粉末喷涂在TC4钛合金板上，其中等离子体喷涂电压为65V，电流为600A，氩气流量为3.9m³/h，氩气压力为0.69MPa，氢气流量为0.38m³/h，氢气压力为0.38MPa，送粉速度为25g/min，喷涂距离为100mm，所用合金粉末为Metcol30粉末和Al2O3-13wt%TiO2陶瓷粉末，颗粒粒度均为40-80，涂层厚度为400。

（3）重熔织构：利用激光在表面进行重熔织构，同时改善表面组织，提高表面性能。激光重熔过程中采用氩气保护熔池，用固体脉冲激光器波长1064nm，脉冲宽度200ns，对涂层沿流向进行扫描织构，其中功率69W，重复频率为5KHz,光束直径为50µm，速度为13mm/s，形成短沟槽，阵列展向长度为55，流向长度为160，垂向深度为430m。

（4）形成阵列：采用相同激光参数沿流向长度制备三个阵列，阵列间隔为110m。

实施例三：

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法的制备，该基体材料为AZ91D 镁合金，尺寸为，喷涂材料为镍包铝过渡层和镍基碳化钨，采用电弧喷涂形成涂层。具体制备步骤如下：

（1）预处理：将AZ91D 镁合金用200~600号金相砂纸打磨，丙酮室温超声波清洗5min，吹干备用。

（2）制备涂层：利用等离子喷涂技术在基体上均匀喷涂镍包铝过渡层和镍基

碳化钨工作层。喷涂镍包铝时，等离子体喷涂电压为40V，电流为600A，氩气压力为0.41MPa，送粉速度为25g/min，喷涂距离为100mm，涂层厚度为150；喷涂镍基碳化钨时，等离子体喷涂电压为58V，电流为500A，氩气压力为0.45MPa，送粉速度为30g/min，喷涂距离为100mm，，涂层厚度为250。

（3）重熔织构：利用激光在表面进行重熔织构，同时改善表面组织，提高表面性能。激光重熔过程中采用氩气保护熔池，用固体脉冲激光器波长1064nm，脉冲宽度200ns,对涂层沿展向进行扫描织构，其中功率55 W，重复频率5KHz，光束直径为50µm，速度为12mm/s，形成短沟槽，阵列展向长度为55，流向长度为160，垂向深度为290µm。

（4）形成阵列：采用相同激光参数沿流向长度制备三个阵列，阵列间隔为150µm。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，在对基体（1）材料涂覆涂层（2）之后，激光烧蚀涂层和基体形成结合层加工出合金短沟槽（3）阵列织构。

2.根据权利要求1所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

将基体（1）抛光至镜面，对基体表面进行去污及去油处理，清洗并干燥充分；

将涂层（2）沉积在基体材料（1）表面上；

调制激光器对涂层（2）进行烧蚀形成短沟槽阵列织构，表面获得规则织构化合金层（3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述涂层（2）采用等离子喷涂制备、电弧喷涂、热喷涂中的一种或两种。

4.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述激光器采用固体脉冲激光器，波长为1064，脉冲宽度为200ns，重复频率2KHz，最大平均功率为70W，光束直径为50，速度为2~15mm/s。

5.根据权利要求2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述步骤C）中，激光加工路径相邻短沟槽（3）的行间距为100µm。

6.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述短沟槽（3）深度大于涂层厚度深入基底。

7.根据权利要求6所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述涂层（2）熔化部分气化，基材（1）少量熔化气化。

8.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述涂层（2）厚度为200~500µm。

9.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述短沟槽阵列由2~8条短沟槽（3）构成。

10.根据权利要求9所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，所述短沟槽阵列的阵列数为2~3，相邻短沟槽阵列的行间距为100~150µm。

11.根据权利要求10所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，短沟槽阵列沿液体介质流向进行分布。

12.根据权利要求1或2所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，每个短沟槽展向长度为45~55 mm，流向长度为130~160 mm，垂向深度为200~500µm；所述展向垂直于流向。

13.根据权利要求10所述的一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，其特征在于，沟槽表面占有率为60%~75%，所述沟槽表面占有率为沟槽阵列的总面积与基体表面总面积的比值。