CN110640302A - 一种基于激光复合工艺的微织构制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光复合工艺的微织构制备方法，包括：1)采用超快激光器制备微孔掩模；2)在待冲击材料表面贴覆黑色绝缘胶带作为吸收层；3)将贴覆有吸收层的待冲击材料固定在六轴工业机器人的夹具上，在吸收层左侧距离为1‑2mm处利用特制夹具固定微孔掩模，在吸收层与微孔掩模间的空隙中施加流动水作为约束层；4)利用激光器输出激光束，经过光学透镜聚焦后穿过微孔掩模，将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束，激光束透过约束层被吸收层吸收，产生等离子爆炸形成冲击波，在待冲击材料表面制备出规则有序的微织构。本发明为微米级表面织构的制备提供了一种新的方法。

Description

一种基于激光复合工艺的微织构制备方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，具体涉及一种通过激光复合工艺制备微织构的方法。
背景技术
传统理论认为，光滑表面能表现出良好的摩擦学性能。但随着摩擦学的发展，大量研究表明，具有微织构的摩擦副表面反而表现出更加优良的摩擦学性能。其原因主要包括：在动压润滑条件下，表面微织构具有充当微小动压润滑轴承、储存润滑油的作用，而在贫油润滑和干摩擦条件下，表面微织构能够收集工作表面产生的磨粒和灰尘，有效改善工件的耐磨性。目前，表面织构化技术主要有电解加工技术、电火花加工技术以及压印技术等。但上述方法都存在一定的缺陷，例如，电解加工将产生污染环境的产物，电火花加工只适用于加工导电材料，压印技术所需的金刚石压头制造工艺复杂，加工效率较低。
与传统工艺方法相比，利用激光加工织构具有可控性好、加工精度高、环保等显著优点。而作为一种制备微织构的有效方法，激光加工技术按作用机理可分为两种，一种是基于热效应的激光表面微造型技术(Laser Surface Texturing,LST)，另一种是基于力效应的激光冲击微造型技术(Laser Peen Texturing,LPT)。激光表面微造型技术通过利用激光的热效应，能够在材料表面制备出不同形状与尺度的微织构。但由于热影响的存在，激光表面微造型技术容易导致材料表面出现熔融物堆积、微裂纹等缺陷，这将给材料的组织性能和摩擦学性能带来不利影响。而激光冲击微造型技术是一种基于材料塑性变形的微织构加工技术，通过利用激光冲击时的力效应，同样能够在材料表面制备出规则有序的织构，并能有效避免热影响造成的缺陷。同时，该技术的一个显著优点是：在瞬时巨大的激光冲击压力作用下，材料表面及亚表面将产生晶粒细化效应，并形成较深的残余压应力层，从而增强材料的机械与物理性能。然而，由于激光冲击设备限制，即使改变光学系统，激光光斑直径可改变的范围也有限，这使得激光冲击微造型加工的织构形状和尺度受到限制，难以得到微米级尺度的织构。
现有技术中能够加工不同尺度与形状微织构的激光加工技术，如名称为“一种激光微凹坑阵列制造装置和方法”(专利号：ZL201410421717.3)的发明，其织构制备过程如下：在材料表面依次贴覆柔性贴膜、喷涂有吸收层的平网(平网喷涂有吸收层的一面朝上)和水层，并装夹在工作台上，利用激光进行织构加工。本发明充分利用了激光加工的优点，但存在以下问题：(1)织构加工是基于激光的热烧蚀作用，无法实现对材料的改性，同时存在热影响区；(2)涂覆黑漆作为吸收层的过程中，虽然采用鼓风机送风，仍然会有部分黑漆遮挡住平网上的微孔，导致微织构的加工精度降低；(3)吸收层位于水层和平网之间，在冲击过程中平网容易受到冲击作用而破裂，难以实现重复利用；(4)平网采用刻蚀加工，可控性弱、加工精度低且存在环境污染隐患。因此，迫切需要发明一种既充分利用激光加工的优点，又能规避上述现有技术缺点的织构加工新方法。
在摩擦副表面制备微织构需要兼顾材料的摩擦学性能和组织性能，由于热影响的存在，激光表面微造型技术难以满足以上要求。而目前市面上大多数的激光冲击设备主要用于激光冲击强化，其光学系统聚焦的激光光斑直径大都在毫米量级，难以满足激光冲击微造型制备微织构(微米级)的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光复合工艺的微织构制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于激光复合工艺的微织构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用计算机辅助技术(CAD)设计出微米尺度的微织构二维数字化模型，并将微织构二维数字化模型导入激光表面微造型加工系统，在掩模上制备出所设计的微孔，得到微孔掩模，用于将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束；
步骤2：在待冲击材料表面贴覆黑色绝缘胶带作为吸收层，使激光辐照在吸收层上时，黑色胶带可吸收激光能量以产生等离子体；
步骤3：将步骤2制得的贴覆有吸收层的待冲击材料固定在六轴工业机器人的夹具上，在吸收层左侧距离为1-2mm处利用特制夹具固定步骤1制得的微孔掩模，在吸收层与微孔掩模间的空隙中施加流动水作为约束层，使流动水在吸收层表面形成均匀水膜，从而提高等离子体冲击压力的幅值并延长压力的作用时间；
步骤4：利用激光器输出激光束经过光学透镜聚焦后，穿过微孔掩模，从而将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束，微米级的激光光束透过约束层被吸收层吸收，产生等离子爆炸形成冲击波，在待冲击材料表面制备出规则有序的微织构。
优选地，所述步骤1中，采用皮秒激光等超快激光对掩模进行加工，从而保证掩模材料上所制备微孔的精度，降低热影响。
优选地，所述步骤1中，所采用掩模材料为不锈钢，厚度约为300μm。
优选地，所述步骤4中，激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器，光斑形状为圆形或方形，激光束能量遵循近平顶分布，即激光光斑内能量分布均匀，以保证所制备微织构尺寸的重复性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出利用激光表面微造型技术加工掩模，激光冲击微造型技术制备织构的复合工艺，是一种全新的微织构加工新方法，综合利用了激光表面微造型技术和激光冲击微造型技术的优点，并能有效规避其缺点，避免了在激光冲击微造型制备不同形状和微尺度织构时对激光器光学系统进行的复杂改动。这种方法能够轻易在材料表面制备出不同形状与尺度的微织构，同时实现对材料的改形与改性，且同时规避了上述两种激光加工技术的弊端。
(2)本发明为激光制备微织构提供了一种新的方法，与传统表面织构加工技术相比，本发明采用激光作为加工手段，具有可控性高、加工精度高、加工效率高、对环境友好等优点。特别是在摩擦副材料表面微织构的制备中，本发明在保证提升摩擦学性能的情况下，能够细化材料表层和亚表层晶粒，得到较深的残余压应力层，显著提升摩擦副的机械与物理性能，延长其使用寿命。此外，带有微孔的掩模可以反复利用，降低了加工成本。
附图说明
图1是本发明的基于激光复合工艺的微织构制备方法的工艺流程图；其中，1.精密光学隔振平台，2.激光器，3.激光束，4.光学透镜，5.约束层，6.吸收层，7.微织构，8.六轴机器人，9.夹具，10.待冲击材料，11.冲击波，12.微孔掩模。
图2是本发明的基于激光复合工艺的微织构制备方法的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1～2所示，本发明提供了一种基于激光复合工艺的微织构制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用计算机辅助技术(CAD)设计出微米尺度的微织构二维数字化模型，并将微织构二维数字化模型导入激光表面微造型加工系统，采用皮秒激光对厚度约为300μm的不锈钢掩模材料进行加工，从而保证掩模材料上所制备微孔的精度，降低热影响，在掩模上制备出所设计的微孔，得到微孔掩模12，用于将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束；
步骤2：在待冲击材料10表面贴覆厚度约为180μm的黑色聚四氟乙烯绝缘胶带作为吸收层6，使激光辐照在吸收层上时，黑色胶带可吸收激光能量以产生等离子体；
步骤3：将步骤2制得的贴附有吸收层6的待冲击材料10固定在六轴工业机器人8的夹具9上，在吸收层6左侧距离为1-2mm处利用特制夹具固定步骤1制得的微孔掩模12，在吸收层6与微孔掩模12间的空隙中施加流动水充当约束层5，使流动水在吸收层表面形成均匀水膜，从而提高等离子体冲击压力的幅值并延长压力的作用时间；
步骤4：采用高功率调Q型Nd:YAG激光器，光斑形状为圆形或方形，激光束能量遵循近平顶分布，即激光光斑内能量分布均匀，以保证所制备微织构尺寸的重复性，利用激光器2输出激光束3经过光学透镜4聚焦后，穿过微孔掩模12，从而将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束，微米级的激光透过约束层5被吸收层6吸收，产生等离子爆炸形成冲击波11，在待冲击材料10表面制备出规则有序的微织构7。

Claims (4)

1.一种基于激光复合工艺的微织构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用计算机辅助技术设计出微米尺度的微织构二维数字化模型，并将微织构二维数字化模型导入激光表面微造型加工系统，在掩模上制备出所设计的微孔，得到微孔掩模(12)；
步骤2：在待冲击材料(10)表面贴覆黑色绝缘胶带作为吸收层(6)；
步骤3：将步骤2制得的贴覆有吸收层(6)的待冲击材料(10)固定在六轴工业机器人(8)的夹具(9)上，在吸收层(6)左侧距离为1-2mm处利用特制夹具固定步骤1制得的微孔掩模(12)，在吸收层(6)与微孔掩模(12)间的空隙中施加流动水充当约束层(5)，使流动水在吸收层表面形成均匀水膜；
步骤4：利用激光器(2)输出激光束(3)经过光学透镜(4)聚焦后，穿过微孔掩模(12)，从而将大直径的激光光斑分束成尺度为微米级的激光光束，微米级的激光透过约束层5被吸收层6吸收，产生等离子爆炸形成冲击波(11)，在待冲击材料(10)表面制备出规则有序的微织构(7)。
2.如权利要求1所述的基于激光复合工艺的微织构制备方法，其特征在于，所述步骤1中，采用皮秒激光对掩模进行加工。
3.如权利要求1所述的基于激光复合工艺的微织构制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所采用掩模材料为不锈钢，厚度约为300μm。
4.如权利要求1所述的基于激光复合工艺的微织构制备方法，其特征在于，所述步骤4中，激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器，光斑形状为圆形或方形，激光束能量遵循近平顶分布。
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