CN109317816B - 陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法 - Google Patents

陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法，属于陶瓷涂层加工技术领域。该装置包括激光辐照控制单元以及与主控计算机连接的透镜聚焦系统、光束质量监控系统、高分辨成像系统。透镜聚焦系统设于激光辐照控制单元的一侧，光束质量监控系统设于透镜聚焦系统的远离激光辐照控制单元的一侧。高分辨成像系统设于光束质量监控系统的远离透镜聚焦系统的一侧。该装置结构简单，可实现激光加工参数的实时数字化记录，以及实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，解决陶瓷涂层表面微坑加工过程中监控记录及反馈调节问题，从而高效制备陶瓷涂层表面微坑。陶瓷涂层表面微坑制备方法简单，操作容易，效率高。

Description

陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷涂层加工技术领域，且特别涉及一种陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法。
背景技术
陶瓷涂层具有优异的耐磨损、耐腐蚀、耐高温以及高热阻等优点，且在工作过程中基本不影响基体的力学性能。因此在传统结构件表面制备陶瓷涂层已广泛应用于航天航空、机械工程、兵器装备、包装印刷等领域。比如在刀具表面沉积TiN、TiAlN、TiCN陶瓷薄膜等提高耐磨性和使用寿命，在海工装备船体、包装印刷用网纹辊等喷涂WC-Co涂层等增强耐腐蚀性能，在航空发动机叶片基体合金表面涂覆MCrAlY/YSZ热障涂层起到隔热效果，防止基体被高温氧化腐蚀。
最近几十年来，随着人类对表面微观物理及化学现象理解的深入，表面微观结构，包括具有一定尺寸和排列的表面微坑，可实现减摩抗磨、抗粘附、存储等性能提升。激光加工具有可方便快捷无接触地实现工件微细表面加工的优势，已在众多领域广泛应用。
但现有技术中部分激光方式加工效率非常低，且加工系统昂贵，部分激光方式加工后容易产生裂纹等缺陷，操作不准确。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种陶瓷涂层表面微坑制备装置，该装置结构简单，可实现激光加工参数的实时数字化记录，以及实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，解决陶瓷涂层表面微坑加工过程中监控记录及反馈调节问题，从而高效制备陶瓷涂层表面微坑。
本发明的另一目的在于提供一种陶瓷涂层表面微坑的制备方法，该制备方法简单，操作容易，效率高。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明实施例提出了一种陶瓷涂层表面微坑制备装置，其包括激光辐照控制单元、透镜聚焦系统、光束质量监控系统、高分辨成像系统以及主控计算机。
主控计算机分别与光束质量监控系统、透镜聚焦系统以及高分辨成像系统信号连接。
激光辐照控制单元用于产生脉冲激光，透镜聚焦系统设置于激光辐照控制单元的一侧并用于聚焦由激光辐照控制单元产生的脉冲激光，光束质量监控系统设置于透镜聚焦系统的远离激光辐照控制单元的一侧并用于将由透镜聚焦系统聚焦后发出的激光射于待加工样品表面，同时将待加工样品表面的激光光束信息传输至主控计算机；激光光束信息包括激光光束质量和/或激光光斑大小。
高分辨成像系统设置于光束质量监控系统的远离透镜聚焦系统的一侧并用于将待加工样品表面的微坑的形貌信息传输至主控计算机。
进一步地，在本发明较佳实施例中，激光辐照控制单元包括脉冲激光器和激光控制器，激光控制器与脉冲激光器信号连接并用于控制脉冲激光器的脉冲激光。
进一步地，在本发明较佳实施例中，脉冲激光器为脉宽为毫秒或微秒的激光器。
进一步地，在本发明较佳实施例中，脉冲激光器的激光波长为300-1200nm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，透镜聚焦系统用于沿脉冲激光器射出的脉冲激光的传输光路方向一维移动。
进一步地，在本发明较佳实施例中，光束质量监控系统包括光束分光楔板和光束质量分析仪。
光束分光楔板设置于透镜聚焦系统的远离激光辐照控制单元的一侧且光束分光楔板用于将由透镜聚焦系统聚焦后发出的激光分成用于射于待加工样品表面的第一激光和用于射于光束质量分析仪的第二激光；光束质量分析仪与主控计算机信号连接并将待加工样品表面的激光光束信息传输至主控计算机。
进一步地，在本发明较佳实施例中，由光束分光楔板射出的第一激光到待加工样品的距离等于由光束分光楔板射出的第二激光到光束质量分析仪的距离。
进一步地，在本发明较佳实施例中，高分辨成像系统包括白光光源、成像透镜组和大面阵电荷耦合器。
成像透镜组和大面阵电荷耦合器组成成像元件组，白光光源与成像元件组用于分设于第一激光的光路的两侧，白光光源用于照射于待加工样品表面的微坑，成像元件组用于将待加工样品表面的微坑的形貌信息传输至主控计算机。
进一步地，在本发明较佳实施例中，陶瓷涂层表面微坑制备装置还包括样品台，样品台设置于高分辨成像系统的远离光束质量监控系统的一侧并用于使样品接收由激光辐照控制单元射出的脉冲激光进行微坑制备。
本发明实施例还提出了一种陶瓷涂层表面微坑制备的制备方法，包括以下步骤：
A、设计待制备的陶瓷涂层表面微坑的形状、尺寸、表面形态，放置待加工的陶瓷涂层样品；
B、采用上述陶瓷涂层表面微坑制备装置，利用调节激光辐照控制单元发出的激光性能参数，通过移动透镜聚焦系统调节离焦量，并通过光束质量监控系统掌握待加工样品的光斑尺寸；
C、设置激光加工参数进行表面微坑制备，激光加工参数包括激光能量、脉宽、光斑尺寸和脉冲数；
D、根据高分辨成像系统原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，进一步计算确认形状、尺寸、表面形态是否与设计相符；当制备的表面微坑与设计相符时，转入步骤E，否则进入步骤B；
E、完成陶瓷涂层表面微坑的制备。
本发明实施例中陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法的有益效果包括：
本发明实施例提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置结构简单，可实现激光加工参数的实时数字化记录，以及实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，解决陶瓷涂层表面微坑加工过程中监控记录及反馈调节问题，从而高效制备陶瓷涂层表面微坑。陶瓷涂层表面微坑的制备方法简单，操作容易，效率高，能使表面微坑制备更加便利准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置的第二种结构示意图；
图3为本申请实施例2提供的陶瓷涂层表面微坑的制备方法的工作流程图；
图4为本申请试验例1制备所得的微坑的结构图；
图5为本申请试验例2制备所得的微坑的结构图。
图标：11-样品台；12-待加工样品；20-陶瓷涂层表面微坑制备装置；21-激光辐照控制单元；211-激光控制器；212-脉冲激光器；22-透镜聚焦系统；23-光束质量监控系统；231-光束分光楔板；232-光束质量分析仪；24-高分辨成像系统；241-白光光源；242-成像透镜组；243-大面阵电荷耦合器；25-主控计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例进行具体说明。
实施例1
本实施例提供了一种陶瓷涂层表面微坑制备装置20，请参照图1，该陶瓷涂层表面微坑制备装置20包括激光辐照控制单元21、透镜聚焦系统22、光束质量监控系统23、高分辨成像系统24以及主控计算机25。
主控计算机25分别与光束质量监控系统23、透镜聚焦系统22以及高分辨成像系统24信号连接。
在陶瓷涂层表面微坑制备装置20中，激光辐照控制单元21主要用于产生脉冲激光，透镜聚焦系统22设置于激光辐照控制单元21的一侧并用于聚焦由激光辐照控制单元21产生的脉冲激光，光束质量监控系统23设置于透镜聚焦系统22的远离激光辐照控制单元21的一侧并用于将由透镜聚焦系统22聚焦后发出的激光射于待加工样品12表面，同时将待加工样品12表面的激光光束信息传输至主控计算机25。作为参考地，上述激光光束信息例如可以包括激光光束质量和/或激光光斑尺寸等。
高分辨成像系统24设置于光束质量监控系统23的远离透镜聚焦系统22的一侧并用于将待加工样品12表面的微坑的形貌信息传输至主控计算机25。
进一步地，激光辐照控制单元21包括脉冲激光器212和激光控制器211，激光控制器211与脉冲激光器212信号连接并用于控制脉冲激光器212的脉冲激光。
其中，脉冲激光器212可以为脉宽为毫秒或微秒的激光器，脉冲激光器212的激光波长可以为300-1200nm，如355nm、532nm、800nm、1064nm或1200nm等。发明人发现现有技术中所用的短脉冲激光主要利用电子激发产生的化学键切断，其加工效率非常低，且加工系统昂贵，相反地，采用上述脉宽范围的长脉冲激光能够利用分子振动导致的热效应去除陶瓷涂层表面的相应位置，加工效率较高，且成本较低。
值得说明的是，加工者可根据需要通过设定相应的激光加工参数，如激光能量、脉宽、光斑尺寸及脉冲数等以对待加工样品12进行表面微坑制备。
进一步地，上述透镜聚焦系统22用于沿脉冲激光器212射出的脉冲激光的传输光路方向一维移动，通过主控计算机25控制透镜聚焦系统22与待加工样品12之间的距离，以准确调节离焦量。
光束质量监控系统23包括光束分光楔板231和光束质量分析仪232。光束分光楔板231设置于透镜聚焦系统22的远离激光辐照控制单元21的一侧且光束分光楔板231用于将由透镜聚焦系统22聚焦后发出的激光分成用于射于待加工样品12表面的第一激光和用于射于光束质量分析仪232的第二激光。光束质量分析仪232位于光束分光楔板231的反射光路中且与主控计算机25信号连接并将待加工样品12表面的激光光束信息传输至主控计算机25。
其中，由光束分光楔板231射出的第一激光到待加工样品12的距离等于由光束分光楔板231射出的第二激光到光束质量分析仪232的距离。
通过设置光束质量监控系统23，由透镜聚焦系统22聚焦后的激光一部分透过光束分光楔板231辐照于待加工样品12表面，另一部分通过光束分光楔板231辐射于光束质量分析仪232中，由于光束分光楔板231射出的第一激光到待加工样品12的距离等于由光束分光楔板231射出的第二激光到光束质量分析仪232的距离，因此，待加工样品12所辐照的光斑的质量和大小等尺寸与光束质量分析仪232中所呈现的光斑的质量和大小等尺寸一致，光束质量分析仪232的光斑信息呈现于主控计算机25，从而以实现对辐照待加工样品12的光束质量及光斑尺寸进行实时监测。
进一步地，高分辨成像系统24包括白光光源241、成像透镜组242和大面阵电荷耦合器243。成像透镜组242和大面阵电荷耦合器243组成成像元件组，白光光源241与成像元件组用于分设于第一激光的光路的两侧，白光光源241用于照射于待加工样品12表面的微坑，成像元件组用于将待加工样品12表面的微坑的形貌信息传输至主控计算机25。
通过设置高分辨成像系统24，白光光源241直接照射于待加工样品12表面的微坑，然后大面阵电荷耦合器243(CCD)通过成像透镜组242接收该微坑的形貌信息并传送至主控计算机25，从而以实现实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，判断所制备的微坑是否满足需要，若未达到需要时，及时对需要调节的陶瓷涂层表面微坑进行调节。通过上述过程，能够有效避免在长脉冲激光作用下，被辐照的局部陶瓷涂层由于经历快速被熔化并快速凝固的过程，加之熔融后熔池冷却速度过快导致较大的残余应力，容易产生裂纹等缺陷。
进一步地，请参照图2，陶瓷涂层表面微坑制备装置20还包括样品台11，样品台11设置于高分辨成像系统24的远离光束质量监控系统23的一侧并用于使样品接收由激光辐照控制单元21射出的脉冲激光进行微坑制备，待加工样品12则放置于样品台11。
较佳地，本实施例提供的样品台11可以为电动移动样品台，电动移动样品台可以与主控计算机25信号连接并由主控计算机25控制电动移动样品台的位置。此外，电动移动样品台也可以单独由其它控制系统控制其移动。
实施例2
本实施例提供了一种陶瓷涂层表面微坑的制备方法，(请参照图3)包括以下步骤：
A、设计待制备的陶瓷涂层表面微坑的形状、尺寸、表面形态，放置待加工的陶瓷涂层样品，具体可将待加工的陶瓷涂层样品固定放置在电动移动样品台上；
B、利用上述实施例1中提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置20中的调节激光辐照控制单元21发出的激光性能参数，通过移动透镜聚焦系统22调节离焦量，并通过光束质量监控系统23掌握待加工的陶瓷涂层样品的光斑尺寸。
具体地，利用上述陶瓷涂层表面微坑制备装置20中的激光器控制器调节由脉冲激光器212发出的激光的能量或脉宽等，通过移动位置可移动的透镜聚焦系统22调节离焦量，并通过光束分光楔板231和光束质量分析仪232掌握待加工样品12的光斑尺寸；
C、设置激光加工参数进行表面微坑制备，上述激光加工参数包括激光能量、脉宽、光斑尺寸和脉冲数等。值得说明的是，根据不同的需要，激光加工参数不同；
D、根据高分辨成像系统24原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，进一步计算确认形状、尺寸、表面形态是否与设计相符；当制备的表面微坑与设计相符时，转入步骤E，否则进入步骤B；
E、完成陶瓷涂层表面微坑的制备，记录该制备工艺参数以便完成陶瓷涂层表面微织构。
上述陶瓷涂层表面微坑制备装置20通过高分辨成像系统24实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，进一步通过激光器控制器和移动透镜聚焦系统22有目的的调节激光加工参数，进行表面微坑制备加工，具有调整方便快捷、加工质量有保障以及加工效率高的优点。
试验例1
采用本申请实施例1提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置以及实施例2提供的制备方法，用毫秒脉冲激光器按以下激光加工参数在超音速喷涂WC-Co陶瓷涂层制备表面微坑，所得的微坑的结构图如图4所示。
激光加工参数包括：激光脉宽为3ms，激光能量为2.3J，激光光斑尺寸为1mm，脉冲数为1个脉冲。
由图4可以看出，制备所得的微坑呈圆形，其直径大概为1.2mm，微坑内部无明显裂纹。
试验例2
采用本申请实施例1提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置以及实施例2提供的制备方法，用毫秒脉冲激光器按以下激光加工参数在大气等离子体喷涂YSZ陶瓷涂层制备表面微坑，所得的微坑的结构图如图5所示。
激光加工参数包括：激光脉宽为5ms，激光能量为3.7J，激光光斑尺寸为1.2mm，脉冲数为1个脉冲。
由图5可以看出，制备所得的微坑呈圆形，其直径大概为1.4mm，微坑内部有少许裂纹。
综上，本发明实施例提供的陶瓷涂层表面微坑制备装置20结构简单，可实现激光加工参数的实时数字化记录，以及实时原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，解决陶瓷涂层表面微坑加工过程中监控记录及反馈调节问题，从而高效制备陶瓷涂层表面微坑。陶瓷涂层表面微坑的制备方法简单，操作容易，效率高，能使表面微坑制备更加便利准确。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种陶瓷涂层表面微坑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、设计待制备的陶瓷涂层表面微坑的形状、尺寸、表面形态，放置待加工的陶瓷涂层样品；
B、采用陶瓷涂层表面微坑制备装置；
所述陶瓷涂层表面微坑制备装置包括激光辐照控制单元、透镜聚焦系统、光束质量监控系统、高分辨成像系统以及主控计算机；
所述主控计算机分别与所述光束质量监控系统、所述透镜聚焦系统以及所述高分辨成像系统信号连接；
所述激光辐照控制单元用于产生脉冲激光，所述透镜聚焦系统设置于所述激光辐照控制单元的一侧并用于聚焦由所述激光辐照控制单元产生的脉冲激光，所述光束质量监控系统设置于所述透镜聚焦系统的远离所述激光辐照控制单元的一侧并用于将由所述透镜聚焦系统聚焦后发出的激光射于待加工样品表面，同时将待加工样品表面的激光光束信息传输至所述主控计算机；所述激光光束信息包括激光光束质量和/或激光光斑大小；
所述高分辨成像系统设置于所述光束质量监控系统的远离所述透镜聚焦系统的一侧并用于将所述待加工样品表面的微坑的形貌信息传输至所述主控计算机；
所述激光辐照控制单元包括脉冲激光器和激光控制器，所述激光控制器与所述脉冲激光器信号连接并用于控制所述脉冲激光器的脉冲激光；所述脉冲激光器的激光波长为300-1200nm；
所述光束质量监控系统包括光束分光楔板和光束质量分析仪；所述光束分光楔板设置于所述透镜聚焦系统的远离所述激光辐照控制单元的一侧且所述光束分光楔板用于将由所述透镜聚焦系统聚焦后发出的激光分成用于射于待加工样品表面的第一激光和用于射于光束质量分析仪的第二激光；所述光束质量分析仪与所述主控计算机信号连接并将待加工样品表面的激光光束信息传输至所述主控计算机；由所述光束分光楔板射出的所述第一激光到待加工样品的距离等于由所述光束分光楔板射出的所述第二激光到所述光束质量分析仪的距离；
所述高分辨成像系统包括白光光源、成像透镜组和大面阵电荷耦合器；
所述成像透镜组和所述大面阵电荷耦合器组成成像元件组，所述白光光源与所述成像元件组用于分设于所述第一激光的光路的两侧，所述白光光源用于照射于所述待加工样品表面的所述微坑，所述成像元件组用于将所述待加工样品表面的微坑的形貌信息传输至所述主控计算机；
利用调节所述激光辐照控制单元发出的激光性能参数，通过移动所述透镜聚焦系统调节离焦量，并通过所述光束质量监控系统掌握待加工样品的光斑尺寸；
C、设置激光加工参数进行表面微坑制备，所述激光加工参数包括激光能量、脉宽、光斑尺寸和脉冲数；
D、根据所述高分辨成像系统原位获取制备的陶瓷涂层表面微坑清晰形貌，进一步计算确认形状、尺寸、表面形态是否与设计相符；当制备的表面微坑与设计相符时，转入步骤E，否则进入步骤B；
E、完成陶瓷涂层表面微坑的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光器为脉宽为毫秒或微秒的激光器。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透镜聚焦系统用于沿所述脉冲激光器射出的脉冲激光的传输光路方向一维移动。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷涂层表面微坑制备装置还包括样品台，所述样品台设置于所述高分辨成像系统的远离所述光束质量监控系统的一侧并用于使样品接收由所述激光辐照控制单元射出的脉冲激光进行微坑制备。
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