CN114473213B - 一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，属于激光加工技术领域。基于激光与碳化钨基金属陶瓷复合材料相互作用机理，利用不同脉宽激光作用机制而导致的金属、陶瓷材料差异去除效果，首先利用重熔凝固去除方式快速实现表面初抛光，然后利用整体刻蚀去除方式实现精细抛光，通过不同脉冲宽度激光复合作用，调控复合材料的重熔‑流动‑凝固及刻蚀去除来实现金属陶瓷复合涂层的高精度抛光，抛光精度高且效率高。本发明是基于变脉宽多激光复合加工的激光抛光技术，加工精度高，变形小，绿色安全、对环境无污染，且适用复杂异形精密零件，表面粗糙度高度可控。
Description
技术领域
本发明涉及激光抛光技术领域，具体而言，涉及一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法。
背景技术
先进涂层技术是提升航空航天、能源和机械等工程领域高端装备在苛刻环境下服役要求可靠性的重要途径。尤其是热喷涂碳化钨金属陶瓷复合涂层因其高硬度、高耐磨性等优点在高端装备领域被广泛应用。不断提高的社会需求和飞速发展的科学技术，对高端装备结构件的复杂程度、尺寸与形状精度、表面粗糙度以及耐磨抗蚀性能提出了越来越高的要求，特别是更多加工难度大的复杂异形结构件的应用，对涂层技术提出新的挑战。而高的表面粗糙度会对机械产品零件的耐磨性、装配稳定性、密封性等产生不良影响，所以在高端精密部件中通常需要超光滑的表面，如航空领域关节轴承、螺杆等精密异形结构件表面涂层粗糙度需求达到40nm以下。
目前，常规抛光方式在精密异形结构件表面高精度抛光还存在短板，特别是高硬度的热喷涂金属陶瓷涂层的主要精密加工方式金刚石砂轮磨削在异形结构件加工时存在精度不高、变形较大等问题；电解抛光对金属陶瓷复合涂层作用效果不理想。因而，热喷涂金属陶瓷复合涂层的表面抛光问题成为限制其在高端装备领域复杂异形精密零件应用的“瓶颈”问题。随着激光制造技术不断发展，作为一种非接触、材料适应性强、高精度、高效率的加工技术，在复杂型面高精度加工领域愈发受到人们的关注。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，包括以下步骤：
首先，利用微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在碳化钨基复合涂层表面加工出重熔凝固去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，获得每组激光辐照参数对重熔凝固去除类型每种微改性区域粗糙度R1的对应关系曲线，并选择粗糙度R1最小值对应的激光辐照参数作为最优重熔凝固去除激光辐照参数；
利用最优重熔凝固去除激光辐照参数，通过改变单一激光扫描参数的方式，在碳化钨基复合涂层表面进行全面扫描以加工出重熔凝固去除类型的待加工区域，并测量待加工区域的表面粗糙度，获得每组激光扫描参数对碳化钨基复合涂层表面粗糙度R11的对应关系曲线，并选择表面粗糙度R11最小值对应的激光扫描参数和最优重熔凝固去除激光辐照参数共同作为最优重熔凝固去除抛光参数组合，对碳化钨基复合涂层表面进行粗抛光处理；
然后，选择皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在粗抛光处理后的碳化钨基复合涂层表面加工出刻蚀去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，并选择粗糙度R2最小值对应的激光辐照参数作为最优刻蚀去除激光辐照参数，利用最优刻蚀去除激光辐照参数，并继续通过激光扫描参数优化，获得激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21的对应关系曲线；
预设一个碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值R0；
通过以上获得的激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21对应关系曲线，找到能够实现目标值R0的激光抛光参数数值组合；
根据确定的激光抛光参数组合，完成多组样品抛光，并测试所有样品的表面粗糙度Ri，制备满足碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值Ri≤R0的涂层样品。
第二方面，本发明还提供一种上述激光抛光方法获得的碳化钨基复合涂层。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，基于激光与碳化钨基金属陶瓷复合材料相互作用机理，利用不同脉宽激光作用机制而导致的金属、陶瓷材料差异去除效果，首先利用重熔凝固去除方式快速实现表面粗抛光，然后利用整体刻蚀去除方式实现精细抛光，通过不同脉冲宽度激光复合作用，调控复合材料的重熔-流动-凝固及刻蚀去除来实现金属陶瓷复合涂层的高精度抛光，抛光精度高且效率高。特别有利于解决复杂异形精密结构件上碳化钨涂层难以实现抛光的问题。
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为本发明实施例1所得样品的表面形貌图；
图2为对比例1所得样品的表面形貌图。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用激光抛光加工进行碳化钨基复合涂层光滑表面制备的方法。
为实现本发明的上述目的，特采用以下的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，包括以下步骤：
首先，利用微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在碳化钨基复合涂层表面加工出重熔凝固去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，获得每组激光辐照参数对重熔凝固去除类型每种微改性区域粗糙度R1的对应关系曲线，并选择粗糙度R1最小值对应的激光辐照参数作为最优重熔凝固去除激光辐照参数；
利用最优重熔凝固去除激光辐照参数，通过改变单一激光扫描参数的方式，在碳化钨基复合涂层表面进行全面扫描以加工出重熔凝固去除类型的待加工区域，并测量待加工区域的表面粗糙度，获得每组激光扫描参数对碳化钨基复合涂层表面粗糙度R11的对应关系曲线，并选择表面粗糙度R11最小值对应的激光扫描参数和最优重熔凝固去除激光辐照参数共同作为最优重熔凝固去除抛光参数组合，对碳化钨基复合涂层表面进行粗抛光处理；
然后，选择皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在粗抛光处理后的碳化钨基复合涂层表面加工出刻蚀去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，并选择粗糙度R2最小值对应的激光辐照参数作为最优刻蚀去除激光辐照参数，利用最优刻蚀去除激光辐照参数，并继续通过激光扫描参数优化，获得激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21的对应关系曲线；
预设一个碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值R0；
通过以上获得的激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21对应关系曲线，找到能够实现目标值R0的激光抛光参数数值组合；
根据确定的激光抛光参数组合，完成多组样品抛光，并测试所有样品的表面粗糙度Ri，制备满足碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值Ri≤R0的涂层样品。
本发明实施例提供一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，基于激光与碳化钨基金属陶瓷复合材料相互作用机理，利用不同脉宽激光因作用机制差异而导致的金属、陶瓷材料差异去除效果，首先利用微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过一系列工艺优化和测试验证，获得调控复合材料的重熔-流动-凝固去除的最优工艺，对碳化钨基复合涂层表面进行初步抛光处理；接着利用皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，进行整体刻蚀去除精细抛光，通过进一步工艺优化与验证，获得激光抛光工艺组合、涂层最终表面粗糙度的控制规律。从而可以从预设的涂层表面粗糙度目标值出发，选择优化的激光抛光工艺参数组合以获得对应的涂层表面结构参数，使得涂层表面粗糙度实测值小于等于预设目标值，实现碳化钨基复合涂层的高精度抛光。
在可选的实施方式中，碳化钨基复合涂层为碳化钨基金属陶瓷复合涂层，优选地，碳化钨基复合涂层为复杂异形零件表面的碳化钨基复合涂层。
在可选的实施方式中，碳化钨基复合涂层的组成为WC-10Co4Cr或WC-12Co。
在可选的实施方式中，碳化钨基复合涂层的激光抛光前，将带有碳化钨基复合涂层的试样置于丙酮中进行超声清洗，去除试样表面杂质与油污，再烘干。
在可选的实施方式中，激光辐照参数是指激光辐照抛光碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括激光能量、辐照角度、光斑尺寸。
在可选的实施方式中，激光扫描参数是指激光扫描抛光碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括扫描速度、扫描间距、扫描次数；
在可选的实施方式中，表面粗糙度是指采用粗糙度测量仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜检测的粗糙度数值。
在可选的实施方式中，激光器采用微秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器；其中，微秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器的波长范围为260-1100nm；微秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的脉冲宽度范围分别为1-50μs,10-500ps和1-100ns。
第二方面，本发明实施例还提供一种通过上述激光抛光方法获得的碳化钨基复合涂层。
可见，本发明实施例提供的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，具有以下的特点和优势。
1、本发明实施例提供的激光抛光方法，利用激光抛光加工技术在碳化钨基复合涂层表面制备高质量光滑表面，相比于现有技术中的其他激光抛光手段，通过基于激光与碳化钨基金属陶瓷复合材料相互作用机理，利用不同脉宽激光作用机制而导致的金属、陶瓷材料差异去除效果，首先利用重熔凝固去除方式快速实现表面初抛光，然后利用整体刻蚀去除方式实现精细抛光，通过不同脉冲宽度激光复合作用，调控复合材料的重熔-流动-凝固及刻蚀去除来实现金属陶瓷复合涂层的高精度抛光，抛光精度高且效率高。
2、相比于目前工业上常用的金刚石砂轮磨削加工和电解抛光方式，基于激光抛光加工光滑表面技术，加工精度高，变形小，绿色安全、对环境无污染，且适用复杂异形精密零件，表面粗糙度高度可控。
3、本发明实施例提供的激光抛光方法对碳化钨基复合涂层的成分、形状没有限制，如WC-10Co4Cr，WC-12Co均可适用。
4、本发明实施例提供的利用激光抛光加工进行碳化钨基复合涂层光滑表面制备的方法，实现简单、可靠，适用性广泛。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种利用激光抛光加工进行碳化钨基复合涂层光滑表面制备的方法，包括如下步骤：
步骤1：准备样品，将带碳化钨涂层试样置于丙酮中进行超声清洗，去除工件表面杂质与油污，并在烘箱中烘干；
步骤2：首先，选择微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过固定其他辐照参数，只改变一个参数的方式，在碳化钨涂层表面加工出重熔凝固去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，获得每组激光辐照参数对重熔凝固去除类型每种微改性区域粗糙度R1的对应关系曲线，优选微改性区域粗糙度R1最小值对应的激光辐照参数为最优重熔凝固去除激光辐照参数；
利用最优重熔凝固去除激光辐照参数，通过改变单一激光扫描参数的方式，在碳化钨基复合涂层表面进行全面扫描以加工出重熔凝固去除类型的待加工区域，并测量涂层待加工区域的表面粗糙度，获得每组激光扫描工艺参数对涂层表面粗糙度R11的对应关系曲线，并选择表面粗糙度R11最小值对应的激光扫描参数和最优重熔凝固去除激光辐照参数共同作为最优重熔凝固去除抛光参数组合，对碳化钨基复合涂层表面进行粗抛光处理(初步处理即为粗抛光)；
步骤3：然后，选择皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，通过固定其他辐照参数，只改变一个参数的方式，在初步处理后涂层表面加工出刻蚀去除类型的微改性区域，并优选微改性区域粗糙度R2最小值对应的激光辐照参数为最优刻蚀去除激光辐照参数，利用以上确定出的最优刻蚀去除激光辐照参数，并继续通过激光扫描工艺参数优化，获得激光抛光工艺参数对涂层表面粗糙度R21的对应关系曲线；
步骤4：预设一个碳化钨涂层表面粗糙度目标值R0；
步骤5：通过步骤3获得的激光抛光工艺参数对涂层表面粗糙度R21对应关系曲线，找到能够实现目标值R0的激光抛光参数数值组合；
步骤6：根据步骤5确定的激光抛光参数组合，完成多组样品抛光，并测试所有样品的表面粗糙度Ri，获得满足涂层表面粗糙度目标值Ri≤R0的涂层样品制备。
以上，激光辐照参数是指激光辐照抛光碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括激光能量、辐照角度、光斑尺寸；激光扫描参数是指激光扫描抛光碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括扫描速度、扫描间距、扫描次数；表面粗糙度是指采用粗糙度测量仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜检测的粗糙度数值。
实施例1所得样品的表面形貌图参见图1，由图1可以看出：经重熔-流动-凝固及整体去除刻蚀两步激光抛光后，涂层表面相对较为齐整。
对比例1
与实施例1的步骤相似，不同之处在于，采用单激光抛光方式，即仅选择微秒级脉宽的激光束进行抛光，得到的表面形貌如图2所示，由图2可以看出：仅经历重熔-流动-凝固过程的长脉冲激光抛光，表面仍会存在较多波纹、起伏以及凝固聚集等形貌，还需进一步优化抛光。
通过本发明实施例1的抛光方法与对比例1中不同的抛光方法的对比，说明本发明的方案得到的碳化钨涂层表面的抛光效果更好。
综上，本发明实施例提供了一种利用激光抛光加工进行碳化钨基复合涂层光滑表面制备的方法，基于激光与碳化钨基金属陶瓷复合材料相互作用机理，利用不同脉宽激光因作用机制差异而导致的金属、陶瓷材料差异去除效果，首先利用微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过一系列工艺优化和测试验证，获得调控复合材料的重熔-流动-凝固去除的最优工艺，对碳化钨基复合涂层表面进行初步抛光处理；接着利用皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，进行整体刻蚀去除精细抛光，通过进一步工艺优化与验证，获得激光抛光工艺组合、涂层最终表面粗糙度的控制规律。从预设的涂层表面粗糙度目标值出发，选择优化的激光抛光工艺参数组合以获得对应的涂层表面结构参数，使得涂层表面粗糙度实测值小于等于预设目标值，实现金属陶瓷复合涂层的高精度抛光。本发明是基于变脉宽多激光复合加工的激光抛光技术，加工精度高，变形小，绿色安全、对环境无污染，且适用复杂异形精密零件，表面粗糙度高度可控。
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 (10)
1.一种碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，利用微秒或几百纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在所述碳化钨基复合涂层表面加工出重熔凝固去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，获得每组激光辐照参数对重熔凝固去除类型每种微改性区域粗糙度R1的对应关系曲线，并选择粗糙度R1最小值对应的激光辐照参数作为最优重熔凝固去除激光辐照参数；
利用所述最优重熔凝固去除激光辐照参数，通过改变单一激光扫描参数的方式，在所述碳化钨基复合涂层表面进行全面扫描以加工出重熔凝固去除类型的待加工区域，并测量待加工区域的表面粗糙度，获得每组激光扫描参数对所述碳化钨基复合涂层表面粗糙度R11的对应关系曲线，并选择表面粗糙度R11最小值对应的激光扫描参数和所述最优重熔凝固去除激光辐照参数共同作为最优重熔凝固去除抛光参数组合，对所述碳化钨基复合涂层表面进行粗抛光处理；
然后，选择皮秒或纳秒或几十纳秒脉宽的激光束，通过改变单一激光辐照参数的方式，在粗抛光处理后的所述碳化钨基复合涂层表面加工出刻蚀去除类型的微改性区域，并测量微改性区域的表面粗糙度，并选择粗糙度R2最小值对应的激光辐照参数作为最优刻蚀去除激光辐照参数，利用所述最优刻蚀去除激光辐照参数，并继续通过激光扫描参数优化，获得激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21的对应关系曲线；
预设一个所述碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值R0；
通过以上获得的激光抛光参数对涂层表面粗糙度R21对应关系曲线，找到能够实现目标值R0的激光抛光参数数值组合；
根据确定的激光抛光参数组合，完成多组样品抛光，并测试所有样品的表面粗糙度Ri，制备满足所述碳化钨基复合涂层表面粗糙度目标值Ri≤R0的涂层样品。
2.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述碳化钨基复合涂层为碳化钨基金属陶瓷复合涂层，优选地，所述碳化钨基复合涂层为复杂异形零件表面的碳化钨基复合涂层。
3.根据权利要求2所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述碳化钨基复合涂层的组成为WC-10Co4Cr或WC-12Co。
4.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述碳化钨基复合涂层激光抛光前，将具有碳化钨基复合涂层的试样置于丙酮中进行超声清洗，去除试样表面的杂质与油污，再烘干。
5.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述激光辐照参数为激光辐照抛光所述碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括激光能量、辐照角度和光斑尺寸。
6.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述激光扫描参数为激光扫描抛光所述碳化钨基复合涂层时所采用的工艺参数，包括扫描速度、扫描间距和扫描次数。
7.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，所述表面粗糙度为采用粗糙度测量仪、原子力显微镜或扫描电子显微镜检测的粗糙度数值。
8.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，激光抛光的激光器采用微秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器。
9.根据权利要求8所述的碳化钨基复合涂层的激光抛光方法，其特征在于，微秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器的波长范围为260-1100nm；微秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的脉冲宽度范围分别为1-50μs,10-500ps和1-100ns。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述激光抛光方法获得的碳化钨基复合涂层。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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