CN112007919B - 一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法 - Google Patents

一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光清洗技术领域，提供了一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，包括以下步骤：采用脉冲激光辐射法对不锈钢件表面的粘附物进行激光清洗和激光改性，在不锈钢件表面得到非晶纳米晶改性层；所述激光清洗和激光改性同步进行或先激光清洗后激光改性；所述激光清洗和激光改性的条件相同；所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，激光焦距为50～300mm，采用平顶光束输出方式，光斑间距为10～30mm，重复频率为1～20kHz，脉冲宽度为10～300ns，输出功率为30～1000W，扫描速度为10～20cm/s，能量密度为1～40J/cm2，扫描路径为S型。本发明提供的方法，能够实现激光清洗‑表面纳米晶激光改性一体化，流程简化。

Description

一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，具体涉及一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法。
背景技术
激光清洗(Laser Cleaning)是一种环境友好的新型表面清洁技术，是通过光学系统对高亮度和方向性好的激光光束进行聚焦和整形获得高能量的激光束，并使之照射到待清洗零部件表面，清洗表面附着物或表面涂层的激光应用技术。与传统工业清洗方法相比，具有以下优点：(1)具有绿色无污染、不会对清洗零部件造成物理损坏，(2)清洗质量高，可达到Sa3级；(3)清清洁效果好，清洁率几乎是100％；(4)易实现高效自动化，(5)用途广、可靠性高；(6)运行和维护成本低。
在实际的工业生产中，激光清洗技术在石油管道、高铁车身、核污染、模具清洗等领域已获得应用，能够达到优质、绿色、高效清洗的目的。由于某些不锈钢件对于清洗后的表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐氧化性具有等强化要求，在完成激光清洗后，通常还需要对被清洗基体进行激光非晶纳米晶处理。虽然激光清洗和激光非晶纳米晶处理都是用激光进行处理，但是二者采用激光参数阈值不同，直接实现对基体表面非晶纳米晶改性是先通过实验确定激光清洗时的烧蚀阈值，直接选用烧蚀阈值附近的激光参数进行清洗，这样就可以在将基体表面污染物去除的同时，可以对基体表面实现非晶纳米晶改性，而不需要先清洗再进行表面改性，而激光清洗后再对激光处理的参数进行调整以进行后续的改性，效率低、成本高、流程繁琐。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，本发明提供的方法能够实现激光清洗-表面纳米晶激光改性一体化，工艺简单，且得到的纳米晶改性层连续性好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，包括以下步骤：
采用脉冲激光辐射法对不锈钢件进行激光清洗和激光改性，在不锈钢件表面得到非晶纳米晶改性层；
所述激光清洗和激光改性同步进行或先激光清洗后激光改性；所述激光清洗和激光改性的条件相同；
所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，激光焦距为50～300mm，采用平顶光束输出方式，光斑间距为10～30mm，重复频率为1～20kHz，脉冲宽度为10～300ns，输出功率为30～1000W，扫描速度为10～20cm/s，能量密度为1～40J/cm2，扫描路径为S型。
优选的，所述光斑的形状为矩形，所述光斑的边长为(3～5)mm×(3～5)mm。
优选的，所述不间断激光扫描的路径为纵向逐次扫描或横向逐次扫描。
优选的，所述纵向逐次扫描和横向逐次扫描的时间间隔独立地为0.1～0.5s。
优选的，所述脉冲激光辐射法为干式脉冲激光直接辐射法。
优选的，所述脉冲激光辐射法采用的激光器包括光纤脉冲激光器、固体激光器或二氧化碳激光器。
优选的，所述不锈钢件包括不锈钢304或不锈钢316。
本发明提供了一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，包括以下步骤：采用脉冲激光辐射法对不锈钢件进行激光清洗和激光改性；所述激光清洗和激光改性同步进行或先激光清洗后激光改性；所述激光清洗和激光改性的条件相同；在不锈钢件表面得到非晶纳米晶改性层；所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，激光焦距为50～300mm，采用平顶光束输出方式，光斑间距为10～30mm，重复频率为1～20kHz，脉冲宽度为10～300ns，输出功率为30～1000W，扫描速度为10～20cm/s，能量密度为1～40J/cm2，扫描路径为S型。本发明提供的方法，先通过实验确定激光清洗时的烧蚀阈值，直接选用烧蚀阈值附近的激光参数进行清洗，这样就可以在将基体表面污染物去除的同时，此时能量密度稍微偏大，激光会与基体表面产生强烈的冲击效应与热效应，对基体表面实现非晶纳米晶改性，确定下清洗参数后，就能够采用相同的方法和工作参数实现激光清洗-表面纳米晶激光改性一体化，减少了不锈钢件表面激光清洗和激光改性的设备量、作业空间，简化了作业流程，提高不锈钢件激光清洗和表面非晶纳米晶激光改性的效率；而且得到的纳米晶改性层连续性好。
附图说明
图1为不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的原理示意图；
图2为实施例1制备的非晶纳米晶改性层的EBSD图；
图3为实施例1制备的非晶纳米晶改性层的SEM图；
图4为实施例2制备的非晶纳米晶改性层的EBSD图。
具体实施方式
本发明提供了一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，包括以下步骤：
采用脉冲激光辐射法对不锈钢件进行激光清洗和激光改性，在不锈钢件表面得到非晶纳米晶改性层；
所述激光清洗和激光改性同步进行或先激光清洗后激光改性；所述激光清洗和激光改性的条件相同；
所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，激光焦距为50～300mm，采用平顶光束输出方式，光斑间距为10～30mm，重复频率为1～20kHz，脉冲宽度为10～300ns，输出功率为30～1000W，扫描速度为10～20cm/s，能量密度为1～40J/cm2，扫描路径为S型。
在本发明中，所述脉冲激光辐射法优选为干式脉冲激光直接辐射法。
在本发明中，所述不锈钢件优选包括不锈钢304或不锈钢316；所述不锈钢件表面具有粘附物；所述激光清洗的对象为不锈钢件表面的粘附物。
在本发明中，所述脉冲激光辐射法的工作参数优选根据粘附物的种类、厚度、表面状态以及不锈钢件的激光清洗烧蚀阈值确定。在本发明中，所述粘附物的种类优选包括油漆、油污、锈蚀或积碳；所述粘附物的厚度优选为10～50μm，更优选为10～30μm；所述粘附物的表面状态优选包括表面平整、没有明显划痕损伤；所述粘附物的服役环境优选包括航空飞机服役的摩擦强烈、辐射更重的环境，发动机服役的高热、高摩擦、易沉积油污的环境，船舶在海洋中易腐蚀的环境。在本发明中，相对于积碳、微米级以及亚微米级颗粒的粘附物，油漆或锈蚀层的烧蚀阈值会更低一些，同时粘附物厚度越薄、基体表面服役时间越久、服役环境腐蚀现象越严重，其烧蚀阈值越低；附着物与基体结合强度高激光清洗的能量要求就高、附着物对激光吸收差所需激光能量就高，表面光滑，对激光反射率高，所需激光束能量高，粘附层厚所需激光能量高，烧蚀阈值高，激光能量也可适当调高。
在本发明中，所述激光能量密度优选通过式(1)计算得到：
Figure BSA0000217642420000041
式(1)中，F为能量密度，单位为J/cm2；
P为功率，单位为W；
D为光斑直径，单位为mm。
在本发明中，所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，优选为1064nm；激光焦距为50～300mm，优选为100～250mm，更优选为150～200mm；采用平顶光束输出方式；重复频率为1～20kHz，优选为5～15kHz，更优选为10～15kHz；脉冲宽度为10～300ns，优选为50～250ns，更优选为100～200ns；输出功率为30～1000W，优选为80～500W，更优选为100～300W；扫描速度为10～20cm/s，优选为12～18cm/s，更优选为15～16cm/s；能量密度为1～40J/cm2，优选为10～25J/cm2，更优选为15～23J/cm2；扫描路径为S型。
在本发明中，所述脉冲激光辐射法的工作参数还包括：光斑的形状优选为矩形，所述光斑的边长优选为(3～5)mm×(3～5)mm，更优选为(3.5～4.5)mm×(3.5～4.5)mm，最优选为4mm×4mm；光斑间距优选为10～30mm，更优选为15～25mm，最优选为20mm。
本发明采用的激光器优选包括光纤脉冲激光器、固体激光器或二氧化碳激光器。
在本发明中，所述不间断激光扫描的路径优选为纵向逐次扫描或横向逐次扫描；所述纵向逐次扫描和横向逐次扫描的时间间隔独立地为0.1～0.5s，更优选为0.15～0.4s，最优选为0.2～0.3s。
在本发明中，所述激光清洗和激光改性过程中，优选固定激光器，将不锈钢件置于XYZ三维可移动工作台上，或，固定不锈钢件，将激光器安装到自动化机器手臂上，从而实现扫描速度的一致性。
在本发明中，当所述激光清洗和激光改性同时进行时，清洗过程中可以通过内窥镜和/或表面轮廓仪对其表面洁净度进行观察，表面晶化程度优选根据表面轮廓仪、投射电镜(TEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)中的一种或几种进行测试；本发明对于所述测试的操作没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的操作方式即可。
在本发明中，当采用先激光清洗后激光改性时，所述激光清洗后，本发明优选检验激光清洗后不锈钢件表面的清洁度若存在未清洁区域，则对所述未清洁区域再次采用脉冲激光辐射法进行激光清洗至表面不锈钢件洁净。在本发明中，所述清洁度的检验方式优选包括内窥镜和/或表面轮廓仪。在本发明中，所述激光改性后，本发明优选检验激光改性后不锈钢件表面的晶化状态，若存在未激光改性区域，则对所述未激光改性区域采用脉冲激光辐射法进行再次进行激光改性至形成完整的非晶纳米晶改性层。在本发明中，所述晶化状态的检验方式优选包括采用表面轮廓仪、投射电镜(TEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)中的一种或几种；本发明对于所述测试的操作没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的操作方式即可。
不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法的原理示意图如图1所示：将不锈钢件固定到工作台上，脉冲激光器根据计算机发出的指令发射出激光清洗光束，激光清洗光束对不锈钢件进行激光清洗和激光改性，然后通过内窥镜将激光清洗后的不锈钢件的表面清洁度反馈给激光清洗设备中的计算机，通过表面轮廓仪将不锈钢件的表面状态(灰度图像对比、表面轮廓、微观形貌)反馈给激光清洗设备中的计算机，计算机对反馈的灰度图像对比、表面轮廓、微观形貌对比进行分析后对未清洁区域和/或未激光改性的区域再次进行激光清洗和/或激光改性，至形成完整的非晶纳米晶改性层。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
按照图1所示的原理图，采用干式脉冲激光直接辐射法对不锈钢304表面的油污(油污厚度为25μm)同时进行激光清洗和激光改性，在不锈钢304表面形成纳米非晶纳米晶改性层。
所述干式脉冲激光直接辐射法的工作参数为：采用的激光器为光纤脉冲激光器，激光采用平顶光束输出方式，激光波长为1064nm；激光焦距为150mm，光斑为4mm×4mm的方形光斑，光斑间距为15mm，重复频率为3kHz，脉冲宽度为100ns，功率为250W，采用横向逐次扫描，时间间隔为0.25s，扫描速度为15cm/s，能量密度为1.04J/cm2，扫描路径为S型。
本实施例激光清洗和激光改性后304L铁基合金截面的电子背散射衍射(EBSD)图如图2所示，304L铁基合金表面电子扫描(SEM)图如图3所示。由图2～3可知，304L铁基合金表面形成连续的纳米晶，截面处最上层颗粒较下层有很大幅度减小，尺寸在100nm以下。
实施例2
按照图1所示的原理图，采用干式脉冲激光直接辐射法对不锈钢304表面的油污(油污厚度为35μm)激光清洗，然后对得到的干净不锈钢304表面进行激光改性，在不锈钢304表面形成纳米非晶纳米晶改性层。
所述干式脉冲激光直接辐射法的工作参数为：采用的激光器为光纤脉冲激光器，激光采用平顶光束输出方式，激光波长为1064nm；激光焦距为100mm，光斑为4mm×4mm的方形光斑，光斑间距为15mm，重复频率为2kHz，脉冲宽度为80ns，输出功率为300W，峰值功率为600W，激光功率平均为300W，采用纵向逐次扫描，时间间隔为0.25s，扫描速度为15cm/s，能量密度为1.88J/cm2，扫描路径为S型。
本实施例激光清洗和激光改性后304L铁基合金截面的电子背散射衍射(EBSD)图如图4所示。由图4可知，304L铁基合金表层出现微米级及亚微米级大小的连续晶粒，304L铁基合金仍为奥氏体基体，试样表层晶粒平均尺寸减小，约为3.46μm，表层的晶粒生长具有一定的方向性，晶界比较平直。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法，由以下步骤得到：
采用脉冲激光辐射法对不锈钢件进行激光清洗和激光改性，在不锈钢件表面得到非晶纳米晶改性层；
所述激光清洗和激光改性同步进行或先激光清洗后激光改性；所述激光清洗和激光改性的条件相同；
所述脉冲激光辐射法的工作参数包括：采用不间断激光扫描方式，激光波长为193～10600nm，激光焦距为50～300mm，采用平顶光束输出方式，光斑间距为10～30mm，重复频率为1～20kHz，脉冲宽度为10～300ns，输出功率为30～1000W，扫描速度为10～20cm/s，能量密度为1～40J/cm2，扫描路径为S型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光斑的形状为矩形，所述光斑的边长为(3～5)mm×(3～5)mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不间断激光扫描的路径为纵向逐次扫描或横向逐次扫描。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纵向逐次扫描和横向逐次扫描的时间间隔独立地为0.1～0.5s。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光辐射法为干式脉冲激光直接辐射法。
6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光辐射法采用的激光器包括光纤脉冲激光器、固体激光器或二氧化碳激光器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢件包括不锈钢304或不锈钢316。
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