CN113278903A

CN113278903A - 激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法

Info

Publication number: CN113278903A
Application number: CN202110564377.XA
Authority: CN
Inventors: 黄虎; 张帝; 钱永峰; 张洪洋; 刘翰林; 洪婧; 王超; 崔明明
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明涉及一种激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，属于非晶合金表面改性技术领域。利用激光辐照碳化硅颗粒介质，在锆基非晶合金表面母相中引入碳化硅颗粒相，提升其表面硬度和塑性变形能力。本发明有效解决了现有非晶合金颗粒增强方法存在的力学性能难以调控、制造工艺复杂等问题。通过改变激光辐照参数和碳化硅颗粒介质的种类及参数，可以有效实现对锆基非晶合金表面碳化硅相含量的调控。本发明实施过程简单、效率高、清洁无污染、实用性强，可应用于调控锆基非晶合金表面硬度，增强其功能应用。

Description

激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法

技术领域

本发明涉及非晶合金表面改性领域，特别涉及一种激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法。本发明可用于提高锆基非晶合金表面硬度，增强其性能。

背景技术

非晶合金由于具有特殊的长程无序结构，呈现出比传统晶态合金更优秀的力学、磁学和耐蚀性能，如高强度、高硬度、高弹性极限、高饱和磁感强度和高耐磨性等，在结构材料、软磁功能材料、电子器件和耐蚀涂层等领域具有极高的发展前景。但是非晶合金在拉伸载荷作用下，由于单个或几个剪切带快速扩展导致灾难性断裂，使其在实际工程应用中受到极大的限制。针对这一问题，研究人员提出了在非晶合金中引入增强相的方法。增强相可以有效抑制剪切带的迅速扩展，促进剪切带的增殖，进而提升非晶合金的拉伸塑性。研究人员通过渗流铸造、粉末固化等方法开发出多种颗粒增强非晶合金复合材料，增强体包括碳化钨、碳化锆、陶瓷、碳化硅、金属颗粒等，所制备出的非晶合金复合材料在一定程度上可以提高非晶合金的压缩变形能力。但是，通过现有方法制备的非晶合金复合材料的拉伸塑性和力学性能难以调控，且增强相和非晶基体的界面结合质量差，制造工艺比较复杂。所以，需要进一步研究非晶合金颗粒增强复合材料制造技术以解决上述问题，进一步提升非晶合金的塑性变形能力和力学性能，增强其应用领域和适用范围。

近年来，激光表面处理技术作为一种新颖的材料表面处理方法，在非晶合金表面改性领域取得了一定的效果，激光辐照可以有效地改善非晶合金的塑性变形能力。因此，发展激光辐照颗粒增强非晶合金表面技术是可行且迫切需要的，具有极高的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，解决现有技术存在的上述问题。利用本发明提供的方法，通过激光辐照，在锆基非晶合金表面引入碳化硅颗粒作为增强相，一方面，碳化硅颗粒可以阻碍单一剪切带的扩展，促进剪切带增殖，进而提高其拉伸塑性；另一方面，碳化硅颗粒具有比非晶合金更高的硬度和耐磨性，其分布在非晶合金母相中，可以进一步提高非晶合金的硬度和耐磨性等力学性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液或碳化硅粉末)的锆基非晶合金表面，利用激光束的能量，使碳化硅颗粒弥散到锆基非晶合金基体母相中，提升其表面的硬度及性能。具体步骤包括：

1)对锆基非晶合金表面进行研磨和抛光，并进行清洗和干燥；

2)将锆基非晶合金置于碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液或碳化硅粉末)中，碳化硅悬浮液质量分数为5％～95％，优选为10％～30％，液面高度＜1mm；碳化硅粉末为碳化硅悬浮液沉积所得，将锆基非晶合金置于样品盒，加入碳化硅悬浮液，在干燥无尘环境中静置沉积至水分蒸发，控制碳化硅粉末层厚度＜0.5mm；

3)利用纳秒激光器在氩气或空气氛围中对覆有碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液或碳化硅粉末)的锆基非晶合金进行逐线扫描，通过改变激光辐照参数和碳化硅介质的种类及参数，调控非晶合金表面碳化硅颗粒增强相含量，进而提升锆基非晶合金表面硬度和性能。

所述的纳秒激光器辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光波长为1064nm，重复频率为600～800kHz，激光平均功率为0.54W～16.0W，激光光斑直径为42μm，扫描速度为2～10mm/s，优选5mm/s，相邻扫描线重复率为10％～90％，重复扫描次数1～10次。

本发明的有益效果在于：通过对覆有碳化硅颗粒介质的锆基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在其表面引入碳化硅颗粒增强相，一方面为非晶合金表面颗粒增强以改善非晶合金性能提供了一种新方案；另一方面利用碳化硅颗粒的高硬度提高了非晶合金表面的硬度。该方法有效解决了现有方法制备非晶合金颗粒增强复合材料性能难以调控、制造工艺复杂等问题。通过调控激光加工参数和碳化硅颗粒介质的种类及参数，可以调控非晶合金表面碳化硅颗粒增强相的含量，进而调控非晶合金表面硬度和性能。该方法加工过程简单、清洁、高效，具有较高的实用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的实施所用系统示意图，包括激光辐照碳化硅悬浮液和碳化硅粉末两种介质的实施所用系统；

图2为本发明的激光辐照路径示意图；

图3为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面与原始表面的纳米压痕曲线与硬度对比图；

图4为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面与原始表面的压痕残余形貌对比图；

图5为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面与原始表面的X射线衍射(XRD)对比图；

图6为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅粉末的锆基非晶合金表面与原始表面的纳米压痕曲线与硬度对比图；

图7为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅粉末的锆基非晶合金表面与原始表面的压痕残余形貌对比图；

图8为本发明的氩气氛围中纳秒激光辐照覆有碳化硅粉末的锆基非晶合金表面与原始表面的X射线衍射(XRD)对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，但本发明的内容不局限于此，所述实验方法若无特殊说明均为常规实验方法，所述实验内容中涉及到的材料和试剂若无特殊说明均可从常规渠道获得。

参见图1和图2所示，本发明的激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液和碳化硅粉末)的锆基非晶合金表面，利用激光束的能量，使碳化硅颗粒弥散到锆基非晶合金基体母相中，提升其表面的硬度及性能。具体步骤包括：

2)将锆基非晶合金置于碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液和碳化硅粉末)中，碳化硅悬浮液质量分数为5％～95％，优选为10％～30％，液面高度＜1mm；碳化硅粉末为碳化硅悬浮液沉积所得，将锆基非晶合金置于样品盒，加入碳化硅悬浮液，在干燥无尘环境中静置沉积至水分蒸发，控制碳化硅粉末层厚度＜0.5mm；

3)利用纳秒激光器在氩气或空气氛围中对覆有碳化硅颗粒介质(碳化硅悬浮液和碳化硅粉末)的锆基非晶合金进行逐线扫描，通过改变激光辐照参数和碳化硅介质，调控非晶合金表面碳化硅颗粒增强相含量，进而提升锆基非晶合金表面硬度。

进一步的，步骤2)中碳化硅颗粒粒径为10μm～20μm，使用去离子水配置碳化硅悬浮液。

进一步的，步骤3)中所用的纳秒激光器辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光波长为1064nm，重复频率为600～800kHz，激光平均功率为0.54W～16.0W，激光光斑直径为42μm，扫描速度为2～10mm/s，优选5mm/s，相邻扫描线重复率为10％～90％，重复扫描次数1～10次。其中，激光平均功率、激光扫描速度、相邻扫描线重复率和重复扫描次数通过计算机和纳秒激光器控制软件调节。

实施例1：

以典型的锆基非晶合金Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5为例，在氩气氛围中，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面，具体实施步骤如下：

1)将尺寸为20mm×20mm，厚2mm的锆基非晶合金表面进行研磨和抛光，并进行清洗和干燥；

2)配置质量分数为30％的碳化硅悬浮液，注入置有锆基非晶合金的样品盒中，控制液面与锆基非晶合金表面之间高度＜1mm；

3)将样品盒置于气氛腔内，在气氛腔内通入氩气；

4)使用纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面，其中激光参数为：激光平均功率为3.13W，激光重复频率为800kHz，扫描速度为5mm/s，相邻扫描线重复率为30％，重复扫描次数为1次。

图3是本实施例中，将激光辐照后的锆基非晶合金表面进行抛光，在纳米压痕实验中获得的激光辐照表面和原始表面的压痕曲线和硬度对比图。从图中可以看出，进行激光辐照后，锆基非晶合金的表面硬度比原始表面增加了6.1GPa，增加了96.8％，表明激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法可以有效提高锆基非晶合金表面的硬度。

图4是本实施例中，在纳米压痕实验中获得的激光辐照后表面和原始表面的压痕形貌对比图。从图中可以看出，在相同的200mN载荷作用下，激光辐照表面残余压痕尺寸明显小于原始表面残余压痕尺寸，进一步说明激光辐照碳化硅颗粒可以有效提高锆基非晶合金表面的硬度；同时，相比于原始表面残余压痕，激光辐照表面残余压痕周围没有出现剪切带，说明激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法可以有效抑制非晶合金表面剪切带的快速扩展。

图5是本实施例中，激光辐照后表面和原始表面的X射线衍射(XRD)对比结果，从图中可以看出，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面，在不改变非晶合金表面非晶态结构的同时，引入了碳化硅相，这是锆基非晶合金表面硬度提高的最主要原因。

实施例2：

以典型的锆基非晶合金Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5为例，在氩气氛围中，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅粉末的锆基非晶合金表面，具体实施步骤如下：

2)配置质量分数为10％的碳化硅悬浮液，注入置有锆基非晶合金的样品盒中，控制液面与锆基非晶合金表面之间高度＜1mm；将样品盒置于干燥无尘环境中静置2-3天，待水分蒸发完毕；

3)将样品盒置于气氛腔中，在气氛腔内通入氩气；

4)使用纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液的锆基非晶合金表面，其中激光参数为：激光平均功率为4.56W，激光重复频率为800kHz，扫描速度为5mm/s，相邻扫描线重复率为30％，重复扫描次数为1次。

图6是本实施例中，将激光辐照后的锆基非晶合金表面进行抛光，在纳米压痕实验中获得的激光辐照表面和原始表面的压痕曲线和硬度对比图。从图中可以看出，进行激光辐照后，锆基非晶合金的表面硬度比原始表面增加了6.9GPa，增加了109.5％，表明激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法可以有效提高锆基非晶合金表面的硬度。

图7是本实施例中，在纳米压痕实验中获得的激光辐照后表面和原始表面的压痕形貌对比图。从图中可以看出，在相同的200mN载荷作用下，激光辐照覆有碳化硅粉末的锆基非晶合金表面残余压痕尺寸明显小于原始表面残余压痕尺寸，进一步说明激光辐照碳化硅颗粒可以有效增强锆基非晶合金表面的硬度；同时，相比于原始表面残余压痕，激光辐照碳化硅颗粒后表面残余压痕周围没有出现剪切带，说明激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法可以有效抑制非晶合金表面剪切带的快速扩展。

图8是本实施例中，激光辐照后表面和原始表面的X射线衍射(XRD)对比结果，从图中可以看出，激光辐照后表面含有一定量的碳化硅和硅，硅的产生是由于碳化硅在激光作用下分解，而在激光辐照后表面未检测到其他晶相，说明没有改变锆基非晶合金表面非晶态的结构；相比较于实施例1，本实施例中锆基非晶合金表面有一定量的碳化硅烧结，同样也会提高锆基非晶合金表面的硬度。

以上实施例表明，使用本发明提出的方法，使用纳秒激光辐照覆有碳化硅悬浮液或碳化硅粉末的锆基非晶合金表面，可以在其表面母相中引入碳化硅相，从而有效提高锆基非晶合金的表面硬度和性能。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，其特征在于：在氩气或空气氛围中，使用纳秒脉冲激光辐照覆有碳化硅颗粒介质的锆基非晶合金表面，利用激光束的高能量，使碳化硅颗粒弥散到锆基非晶合金基体母相中，提升其表面的硬度及性能，具体实施步骤包括：

2)将锆基非晶合金置于碳化硅颗粒介质中；

3)使用纳秒激光器在氩气或空气氛围中对覆有碳化硅颗粒介质的锆基非晶合金进行逐线扫描，通过改变激光辐照参数和碳化硅介质的种类及参数，调控非晶合金表面碳化硅颗粒增强相含量，进而提升锆基非晶合金表面硬度及性能。

2.根据权利要求1所述的激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，其特征在于：所述的碳化硅颗粒介质包括碳化硅悬浮液和碳化硅粉末两种；碳化硅悬浮液的质量分数为5％～95％，优选为10％～30％，液面高度＜1mm；碳化硅粉末为碳化硅悬浮液沉积所得，将锆基非晶合金置于样品盒，加入碳化硅悬浮液，在干燥无尘环境中静置沉积至水分蒸发，控制碳化硅粉末层厚度＜0.5mm。

3.根据权利要求1所述的激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法，其特征在于：所述的纳秒激光辐照工艺参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光波长为1064nm，重复频率为600～800kHz，激光平均功率为0.54W～16.0W，激光光斑直径为42μm，扫描速度为2～10mm/s，优选5mm/s，相邻扫描线重复率为10％～90％，重复扫描次数1～10次。