CN115537737B - 一种薄涂层的制备方法及系统 - Google Patents
一种薄涂层的制备方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115537737B CN115537737B CN202211252254.3A CN202211252254A CN115537737B CN 115537737 B CN115537737 B CN 115537737B CN 202211252254 A CN202211252254 A CN 202211252254A CN 115537737 B CN115537737 B CN 115537737B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- workpiece
- target
- laser
- continuous
- continuous laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 84
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 38
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 60
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 48
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 31
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 24
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 18
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 5
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 53
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 52
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 52
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 abstract description 30
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 26
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 13
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 99
- 230000008569 process Effects 0.000 description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 26
- 239000010408 film Substances 0.000 description 22
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 8
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 2
- 108010083687 Ion Pumps Proteins 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005536 corrosion prevention Methods 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000008570 general process Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
- B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种薄涂层的制备方法及系统，属于涂层制备技术领域。该方法包括：采用超快激光沉积技术将超快激光按预设的扫描路径烧蚀靶材，激发靶材表面形成羽辉并在工件上形成疏松的金属纳米粉末预置层或致密的金属连续介质预置层；采用连续激光选区熔化或连续激光选区辐照技术将连续激光按预设的扫描路径对预置层进行原位熔化或辐照，得到预设厚度的涂层；制备过程于真空环境或气氛保护环境下进行。相应的制备系统包括密封腔体、超快激光设备、连续激光设备、抽真空部件和保护气体填充部件。上述制备系统和方法，可适用于金属材料的薄涂层制备，具有效率高及膜基结合强的特点，能满足不同金属材料薄涂层的制备需求。
Description
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体而言，涉及一种薄涂层的制备方法及系统。
背景技术
金属涂层在航空航天、轨道交通、船舶航运、核电供能等各工业领域均有重要的应用需求，且种类繁多，起到防腐、隔热、耐磨、阻热、降辐射等结构与功能性作用。目前常规的金属涂层制备手段有脉冲激光沉积法、溅射沉积法、分子束外延法、化学气相沉积法、超高速激光熔覆法等。
脉冲激光沉积技术，是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，成为新的状态而跃出，这种等离子体定向局域膨胀发射，并在衬底上沉积而形成薄膜。脉冲激光沉积示意图如图1所示。
溅射沉积法的基本原理是利用经过电场加速后的带电荷的粒子，入射到靶材上，将自身的动能传递给靶材的粒子，使靶材的粒子在吸收带电粒子的动能后，脱离靶材束缚从靶材表面溅射出来，沿着一定的方向沉积到对应的衬底上成膜，整个溅射过程原理如图2所示。该方法溅沉积率较低，且靶材只能选用导体材料。
分子束外延法是基于真空蒸发沉积原理的一种薄膜制备方法，最早由美国贝尔实验室发明，该方法对真空度的要求非常高，一般要在超高真空环境下才能工作(低于10- 10Torr)。超高真空度下，按照所需生长的样品选择束源炉，一般炉内为单质元素，将束源炉加热后，控制蒸发物质形成分子束源，分子束源喷射到合适的衬底上反应、外延成膜，图3为分子束外延法的结构示意图。
化学气相沉积法，是利用化学方法沉积生长薄膜的方法。它的基本原理是，利用加热，等离子体，激光辅助等激活手段，使得气态或者蒸汽状的物质在气相或者气固相中发生化学反应，生成固态薄膜/薄涂层样品，图4是其简易示意图。该方法虽然在密封环境但对真空度要求不高；且沉积薄膜过程以分子级别的成核生长，对衬底的形状要求也不高；生长速率快，非常适合大规模工业化生产。
超高速熔覆法，采用同轴送粉方式，通过调整粉末焦平面与激光焦平面的相对位置使熔覆粉末在基体上方与激光束交汇发生熔化，随后均匀涂覆在基体表面，快速凝固后熔覆层稀释率极低且与基体呈冶金结合。如图5所示，它与传统激光熔覆本质的区别是改变了粉末的熔化位置。在超高速激光熔覆中，落在基体表面的是液态的熔覆材料而不是固态的粉末颗粒，熔覆速度为50-500m/min，如此高的熔覆速度可用于大面积零件的涂覆。
针对溅射沉积法和分子术外延法，对设备真空与束源的要求极高，且薄膜沉积速率低，约为100-1000nm/min，制备成本高、周期长；针对化学气相沉积法，制备成本低，沉积效率高，但对于可合成的薄涂层受化学反应限制，种类有一定局限性；针对超高速激光熔覆法，一般制备金属涂层，涂层厚度一般为大约100μm，涂层与基体为冶金结合，因此其制备薄涂层的种类受限，且需要考虑薄涂层与基体的冶金相容性。针对脉冲激光沉积技术，沉积效率高，所制备薄涂层种类不受限制，但薄涂层与基体的结合强度低，不适合应用于有外加载荷的应用工况。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种薄涂层的制备方法，以解决上述技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种与上述制备方法对应的制备系统。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供了一种薄涂层的制备方法，其包括以下步骤：
采用超快激光沉积技术将超快激光按预设的扫描路径烧蚀靶材，激发靶材表面形成羽辉，在工件上形成疏松的金属纳米粉末预置层或致密的金属连续介质预置层；
采用连续激光选区熔化或连续激光选区辐照技术将连续激光按预设的扫描路径对工件上的预置层进行原位熔化或原位辐照，得到预设厚度的涂层；
制备过程于真空环境或气氛保护环境下进行。
在可选的实施方式中，制备工艺条件包括以下特征中的至少一种：
特征(1)：制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程按先制备预置层后原位熔化或原位辐照的顺序交替进行，或制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程多次同时进行；
特征(2)：工件与靶材之间的距离为30-100mm；
特征(3)：当制备疏松金属纳米粉末预置层时，放置靶材和工件的密封腔体真空度处于>10-2MPa的低真空状态，或抽高真空后充入惰性保护气体，使密封腔体内处于惰性气氛保护状态，保护气体压强为100-2000Pa，且工件自身为无加热状态；
当制备致密金属连续介质预置层时，放置靶材和工件的密封腔体真空度处于<10- 3MPa的高真空状态；
特征(4)：超快激光的激光脉宽为500fs-20ns、单脉冲能量为50μJ-1mJ、频率为10kHz-1MHz、激光波长为515-1064nm；
特征(5)：连续激光的激光功率为20-1000W、光斑直径为50μm-5mm、熔化或辐照的连续激光扫描速率为1-1000mm/s、熔化或辐照的搭接率为10-70％、激光波长为515-1064nm；
特征(6)：薄涂层的厚度为100nm至50μm。
第二方面，本申请提供了一种薄涂层的制备系统，其包括密封腔体、超快激光设备、连续激光设备、抽真空部件和保护气体填充部件；
密封腔体用于放置靶材和工件及提供所需的涂层制备气氛环境；
超快激光设备包括通过光路依次连接的超快激光器、第一光路光学镜片和超快激光光路振镜；
连续激光设备包括通过光路依次连接的连续激光器、第二光路光学镜片和连续激光光路振镜；
在使用状态下，超快激光器产生的第一激光束通过第一光路光学镜片导入超快激光光路振镜，并透过密封腔体入射至靶材处以对其进行烧蚀；连续激光器产生的第二激光束通过第二光路光学镜片导入连续激光光路振镜，并透过密封腔体入射至工件处以对其进行熔化或辐照；
抽真空部件和保护气体填充部件分别通过管路与密封腔体连通。
在可选的实施方式中，制备系统还包括靶材位移平台和靶材位移驱动电机；
靶材位移平台包括第一平台座和第一连接杆，第一平台座位于密封腔体内并用于放置靶材；
第一连接杆的一端与靶材位移平台连接，另一端与靶材位移驱动电机连接。
在可选的实施方式中，制备系统还包括工件安装平台和工件位移驱动电机；
工件安装平台包括第二平台座和第二连接杆，第二平台座位于密封腔体内并用于放置工件；
第二连接杆的一端与工件安装平台连接，另一端与工件位移驱动电机连接。
在可选的实施方式中，制备系统还包括第一石英玻璃、第二石英玻璃、第一安装法兰和第二安装法兰；
其中，第一安装法兰用于将第一石英玻璃安装于密封腔体的外表面以使透过超快激光光路振镜的激光透过第一石英玻璃入射至靶材处；
第二安装法兰用于将第二石英玻璃安装于密封腔体的外表面以使透过连续激光光路振镜的激光透过第二石英玻璃入射至工件处。
在可选的实施方式中，制备系统还包括第一固定法兰和第二固定法兰；
其中，第一固定法兰用于对第一连接杆与靶材位移驱动电机的连接处进行固定，第二固定法兰用于对第二连接杆与工件位移驱动电机的连接处进行固定。
在可选的实施方式中，抽真空部件为三级真空泵；
优选地，保护气体填充部件与密封腔体连接的管路上设有气阀；
优选地，密封腔体内还设有真空测量计。
在可选的实施方式中，所述制备系统还包括第三固定法兰和第四固定法兰；
其中，第三固定法兰用于连接密封腔体与抽真空部件，第四固定法兰用于连接密封腔体和保护气体填充部件。
在可选的实施方式中，制备系统还包括工控机，工控机与超快激光器、连续激光器、超快激光光路振镜、连续激光光路振镜、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移驱动电机及工件位移驱动电机均电信号连接。
本申请的有益效果包括：
本申请提供的薄涂层制备方法，一方面可以实现对疏松金属纳米粉末预置层进行熔化作业，使疏松纳米粉末和极小部分工件基体发生熔化和凝固，并最终形成薄涂层，且涂层与基体间为冶金结合，此方式一般适用于金属材料薄涂层制备；另一方面可以实现对致密薄膜预置层进行辐照作业，使致密薄膜与工件基体界面的材料发生热扩散，提升薄涂层与基体的结合力，此方式适用于金属材料薄涂层制备。
也即，本申请提供的制备系统和方法，可适用于金属的薄涂层制备，具有效率高及膜基结合强的特点，能满足不同金属材料薄涂层的制备需求。
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为背景技术中脉冲激光沉积系统的结构示意图；
图2为背景技术中溅射沉积过程原理示意图；
图3为背景技术中分子束外延法的装置结构示意图；
图4为背景技术中化学气相沉积法的原理示意图；
图5为背景技术中超高速熔覆法的原理示意图；
图6为本申请提供的制备系统的结构示意图；
图7为本申请实施例2中超快激光制备的疏松金属纳米粉末预置层的形貌图；
图8为本申请实施例3中超快激光制备的致密金属连续介质预置层的形貌图；
图9为本申请实施例2中连续激光熔化疏松金属纳米粉末预置层后的涂层形貌图；
图10为本申请实施例3中连续激光辐照致密金属连续介质预置层后的涂层形貌图。
图标：10-密封腔体；11-靶材；12-工件；21-超快激光器；22-超快激光光路振镜；31-连续激光器；32-连续激光光路振镜；411-第一平台座；412-第一连接杆；42-靶材位移驱动电机；43-第二连接杆；44-工件位移驱动电机；51-第一石英玻璃；52-第二石英玻璃；61-第一安装法兰；62-第二安装法兰；70-工控机。
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。
下面对本申请提供的薄涂层的制备方法及系统(如图6所示)进行具体说明。
本申请提供了一种薄涂层的制备方法，其包括以下步骤：
采用超快激光沉积技术将超快激光按预设的扫描路径烧蚀靶材11，激发靶材11表面形成羽辉(如等离子、原子、液滴等的团簇体)，并在工件12上形成疏松的金属纳米粉末(或颗粒)预置层或致密的金属连续介质预置层；
采用连续激光选区熔化或连续激光选区辐照技术将连续激光按预设的扫描路径对工件12上的预置层进行原位熔化或辐照，得到预设厚度的涂层。
制备过程于真空环境或气氛保护环境下进行。
上述“疏松”的金属纳米粉末(或颗粒)预置层的孔隙率约为3-50％，其主要是由粒径为10nm-1μm的颗粒堆垛形成，颗粒间相互作用力极小，孔隙是相互连续的(可参照图7)。“致密”的金属连续介质预置层的孔隙率约为0-3％，其形态是固态金属连续介质，孔隙等缺陷呈岛状被孤立开的(可参照图8)。
作为参考地，制备工艺条件包括以下特征中的至少一种：
特征(1)：制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程按先制备预置层后原位熔化或原位辐照的顺序交替进行，或制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程同时进行。
当制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程交替进行时，在制备得到预置层后，关闭超快激光，开启连续激光；原位熔化或原位辐照后，关闭连续激光，开启超快激光，如此重复。当制备预置层过程和原位熔化或原位辐照过程同时进行时，超快激光和连续激光均同时开启和工作，重复进行多次超快激光和连续激光的同时开启和工作即可获得最终的涂层。
特征(2)：工件12与靶材11之间的距离可设置为30-100mm，如30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等，也可以为30-100mm范围内的其它任意值。
需说明的是，若对放置靶材11和工件12的密封腔体10进行改造，并配合超快激光与腔体气压调节，可将上述工件12与靶材11之间的距离进行一定程度的改变。当距离增加时，预置层沉积的效率会降低。当在制备疏松纳米颗粒预置层时，增加距离会减小纳米颗粒的平均粒径。
特征(3)：当制备疏松金属纳米粉末预置层时，工作腔体(即放置靶材11和工件12的密封腔体10)真空度处于>10-2MPa的低真空状态，或抽高真空后充入惰性保护气体(如氩气等)，使密封腔体10内处于惰性气氛保护状态，保护气体压强为100-2000Pa，且工件12自身为无加热状态。
当制备致密金属连续介质预置层时，放置靶材11和工件12的密封腔体10真空度处于<10-3MPa(如10-7至10-3MPa)的高真空状态，且工件12自身可处于被加热状态或无加热状态(当工件12处于被加热状态时，需确保工件12不发生相变)。
也即，针对同种材料在不同工艺条件下分别形成疏松金属纳米粉末预置层和致密金属连续介质预置层两种形态，其主要受真空腔室里气氛条件(真空度和保护气体压强)及工件12自身加热温度影响。
造成上述调控真空度和工件12温度等工艺参数导致形成不同结构预置层的物理本质主要参照：
超快激光烧蚀靶材11产生羽辉中的高能等离子体，由靶材11侧向工件12侧高速撞击。高真空条件下，行程中无气体分子干扰，等离子大部分可直接迁移至工件12表面，并形核生长成致密连续介质薄膜，此时可不对试件进行加热；惰性气体条件下，等离子受气体分子影响，动能降低，在迁移过程中发生团聚，以纳米颗粒的形式迁移至工件12表面，形成堆垛的纳米颗粒预置层。但若此时对沉积有纳米颗粒预置层的工件12进行加温，由于纳米颗粒具有极高的表面能，颗粒间会发生烧结和扩展，疏松的纳米颗粒预置层会变成致密的连续介质预置层。
特征(4)：激光脉宽为500fs-20ns、单脉冲能量为50μJ-1mJ、频率为10kHz-1MHz、激光波长为515-1064nm。
其中，激光脉宽例如可以为500fs、800fs、1000fs、2ps、5ps、10ps、20ps、50ps、80ps、100ps、200ps、500ps、800ps、1000ps、2ns、5ns、10ns或20ns等，也可以为500fs-20ns范围内的其它任意值。
单脉冲能量可以为50μJ、80μJ、100μJ、200μJ、500μJ、800μJ、1mJ等，也可以为50μJ-1mJ范围内的其它任意值。
频率可以为10kHz、20kHz、50kHz、100kHz、200kHz、500kHz、800kHz或1MHz等，也可以为10kHz-1MHz范围内的其它任意值。
激光波长可以为515-1064nm范围内的任意值。
上述超快激光脉冲宽度、脉冲频率、单脉冲能量对预置层的形态的影响包括：针对疏松金属纳米粉末(或颗粒)预置层或致密金属连续介质预置层，提高脉冲频率及单脉冲能量均能提升预置层的沉积效率；针对疏松金属纳米粉末(或颗粒)预置层，增加脉冲宽度可提升预置层纳米粉末(或颗粒)的平均粒径，提高脉冲可减小预置层的孔隙率，提高单脉冲能量可降低纳米粉末(或颗粒)的平均粒径。
需说明的是，上述描述仅仅为大概的致密与疏松预置层的制备工艺区别，针对不同材料具体采用的条件不同，在此不做过多列举。
特征(5)：连续激光的激光功率为20-1000W、光斑直径为50μm-5mm、熔化或辐照的连续激光扫描速率为1-1000mm/s、熔化或辐照的搭接率为10-70％、激光波长为515-1064nm。
其中，当熔化或辐照上述类似纳米粉末(或颗粒)的预置层时，连续激光的参数可参照：
激光功率可以为50-1000W，如50W、80W、100W、200W、500W、800W或1000W等，也可以为50-1000W范围内的其它任意值。
光斑直径可以为50μm-2mm，如50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、800μm、1000μm、1.5mm或2mm等，也可以为50μm-2mm范围内的其它任意值。
熔化或辐照的连续激光扫描速率可以为1-1000mm/s，如1mm/s、2mm/s、5mm/s、10mm/s、20mm/s、50mm/s、80mm/s、100mm/s、200mm/s、500mm/s、800mm/s或1000mm/s等，也可以为1-1000mm/s范围内的其它任意值。
熔化或辐照的搭接率可以为20-70％，如20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％或70％等，也可以为20-70％范围内的其它任意值。
激光波长可以为515-1064nm范围内的任意值。
该过程中，真空腔气氛可以为高真空(<10-3MPa)或惰性气体保护，只要保证激光工艺参数能熔化纳米颗粒预置层和少量基体，并形成冶金结合即可。
连续激光辐照上述类似致密薄膜预置层时，连续激光的参数可参照：
激光功率可以为20-1000W，如20W、50W、80W、100W、200W、500W、800W或1000W等，也可以为20-1000W范围内的其它任意值。
光斑直径可以为50μm-5mm，如50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、800μm、1000μm、2mm、3mm、4mm或5mm等，也可以为50μm-5mm范围内的其它任意值。
辐照的连续激光扫描速率可以为1-1000mm/s，如1mm/s、2mm/s、5mm/s、10mm/s、20mm/s、50mm/s、80mm/s、100mm/s、200mm/s、500mm/s、800mm/s或1000mm/s等，也可以为1-1000mm/s范围内的其它任意值。
辐照搭接率可以为10-30％，如10％、15％、20％、25％或30％等，也可以为10-30％范围内的其它任意值。
激光波长可以为515-1064nm范围内的任意值。
该过程中，真空腔气氛可以为高真空(<10-3MPa)或惰性气体保护，只要保证激光工艺参数辐照过程不熔化致密薄膜预置层，仅提供热能促使预置层与工件12基体间材料原子进行热扩散，提升结合力即可。
就原位熔化或原位辐照过程：针对疏松纳米合金粉末(或颗粒)，连续激光需对纳米合金粉末(或颗粒)和极小量的基体进行熔化冶金，相应的连续激光线能量较高；针对致密金属连续介质预置层，连续激光仅需对预置层进行辐照，提供能量促使预置层与工件12间材料发生热扩散，提升预置层与基体的结合力，无需对两者进行熔化，相应的连续激光线能量较低。
同理地，上述描述仅仅为大概的熔化或辐照致密与疏松预置层的工艺区别，针对不同材料具体采用的条件不同，在此不做过多列举。
特征(6)：薄涂层的厚度为100nm至50μm。
此外，制备过程中，靶材11的旋转转速无特定需求，满足能被超快激光均匀刻蚀即可。
需说明的是，本申请提供的方法针对涂层原材料可以为任意金属材料，对材料的挑选性要求不严格，同时对原料粒径也无需严格要求。超快激光沉积疏松金属纳米粉末预置层或致密金属连续介质预置层，仅仅靠激光工艺对预置层疏松或致密的形态的影响较小，主要还是受步骤②中腔体内气氛的影响。
在实际制备过程中，可参照以下步骤进行制备：
步骤①：对工件12及靶材11表面进行清洁，安装工件12与靶材11，调整工件12与靶材11之间的距离；
步骤②：对工作腔体抽真空并进行气氛调控；
步骤③：启动工件12与靶材11的旋转及位移机构，使工件12与靶材11满足超快激光沉积预置层与连续激光熔化(或辐照)的位移需求；
步骤④：A、超快激光辐照靶材11诱发等离子体，并在工件12上均匀沉积预置层；B、连续激光对工件12上预置层进行熔化(或辐照)。该过程可根据需要将按先A后B的顺序交替重复进行，也可将A和B多次同时进行，直至形成所需涂层；
步骤⑤：待工件12冷却后对工作腔体进行放气，并取下工件12及靶材11。
以按先A后B的顺序交替重复进行为例，上述过程中，首先采用大功率(平均功率不低于100W)超快(对应的激光脉宽范围为飞秒、皮秒或纳秒)激光对金属或非金属靶材11进行烧蚀，通过超快激光的非线性、非平衡态的吸收和非热相变的等作用特性，使靶表面形成羽辉，随后在工件12上形成疏松金属纳米粉末预置层或致密金属连续介质预置层。
预置层沉积成形后，采用连续激光对预置层进行原位熔化(或辐照)，形成数十微米宽度、数微米深度的小尺寸熔池，或形成数十微米宽度与深度的激光热处理区。通过多层多道的预置层沉积和原位熔化(或辐照)，从而可获得满足使用性能的薄涂层。
相应地，本申请还提供了一种薄涂层的制备系统，其与上述制备方法相配合。
具体的，本申请提供的制备系统包括密封腔体10、超快激光设备、连续激光设备、抽真空部件和保护气体填充部件；
密封腔体10用于放置靶材11和工件12及提供所需的涂层制备气氛环境。
超快激光设备包括通过光路依次连接的超快激光器21、第一光路光学镜片(图未示)和超快激光光路振镜22。
连续激光设备包括通过光路依次连接的连续激光器31、第二光路光学镜片(图未示)和连续激光光路振镜32。
抽真空部件(图未示)和保护气体填充部件(图未示)分别通过管路与密封腔体10连通。
进一步地，上述制备系统还包括靶材位移平台、靶材位移驱动电机42、工件安装平台和工件位移驱动电机44。
靶材位移平台包括第一平台座411和第一连接杆412，第一平台座411位于密封腔体10内并用于放置靶材11；第一连接杆412的一端与靶材位移平台连接，另一端与靶材位移驱动电机42连接。
工件安装平台包括第二平台座(图未示)和第二连接杆43，第二平台座位于密封腔体10内并用于放置工件12；第二连接杆43的一端与工件安装平台连接，另一端与工件位移驱动电机44连接。
进一步地，上述制备系统还包括第一石英玻璃51、第二石英玻璃52、第一安装法兰61和第二安装法兰62。
其中，第一安装法兰61用于将第一石英玻璃51安装于密封腔体10的外表面以使透过超快激光光路振镜22的激光透过第一石英玻璃51入射至靶材11处。
第二安装法兰62用于将第二石英玻璃52安装于密封腔体10的外表面以使透过连续激光光路振镜32的激光透过第二石英玻璃52入射至工件12处。
进一步地，上述制备系统还包括第一固定法兰(图未示)、第二固定法兰(图未示)、第三固定法兰(图未示)和第四固定法兰(图未示)。
其中，第一固定法兰用于对第一连接杆412与靶材位移驱动电机42的连接处进行固定，第二固定法兰用于对第二连接杆43与工件位移驱动电机44的连接处进行固定。第三固定法兰用于连接密封腔体10与抽真空部件，第四固定法兰用于连接密封腔体10和保护气体填充部件。
进一步地，上述制备系统还包括工控机70，工控机70与超快激光器21、连续激光器31、超快激光光路振镜22、连续激光光路振镜32、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移驱动电机42、工件位移驱动电机44均电信号连接。
具体的，工控机70通过控制板卡及软件对上述器件进行协同控制，实现连续-超快激光复合工艺薄涂层制备的工艺过程。
在一些可选的实施方式中，上述抽真空部件为三级真空泵，分别为机械泵、分子泵和离子泵，真空度可实现10-7至10-2Pa范围调节。
保护气体填充部件与密封腔体10连接的管路上设有气阀(精密气阀)，以对充气气氛进行调节。
密封腔体10内还设有真空测量计。腔体内抽真空与填充气氛时的真空度分别由电离规与电阻规等真空测量计进行检测，并通过工控机70对腔体内真空度进行调控。
在使用状态下，超快激光器21产生的第一激光束通过第一光路光学镜片导入超快激光光路振镜22，并透过第一石英玻璃51入射至靶材11处以对其进行烧蚀，超快激光光路振镜22由工控机70预编写程序控制，实现超快激光对靶材11烧蚀路径规划。连续激光器31产生的第二激光束通过第二光路光学镜片导入连续激光光路振镜32，并透过第二石英玻璃52入射至工件12处以对其进行熔覆。连续激光光路振镜32由工控机70预编写程序控制，实现连续激光对工件12熔化(或辐照)路径规划。
承上，在具体制备时，通过工控机70对密封腔体10内的真空度及气氛填充量进行设置和调控。待腔体内环境达到预设后，通过工控机70启动靶材位移驱动电机42和工件位移驱动电机44，使靶材位移平台与工件安装平台按设定轨迹和速度运转。通过工控机70启动超快激光光路振镜22，并同时触发超快激光器21出光，使超快激光按预设的扫描路径烧蚀靶材11，并激发靶表面形成羽辉，在工件12上形成疏松金属纳米粉末预置层或致密金属连续介质预置层。随后，通过工控机70启动连续激光光路振镜32，并同时触发连续激光器31出光，使连续激光按预设的扫描路径对工件12上的预置层进行熔化(或辐照)。通过超快激光制备预置层工艺与连续激光熔化(或辐照)工艺两者的交替进行，最终获得所需薄涂层。
超快激光烧蚀靶材11在工件12上制备的预置层，通过调控工艺参数可实现疏松的金属纳米粉末预置层和致密的金属连续介质预置层两种形态，分别如图7和图8所示。
连续激光通过工艺调控，一方面可以实现对疏松金属纳米粉末预置层进行熔化作业，使疏松纳米粉末和极小部分工件12基体发生熔化和凝固，并最终形成薄涂层，且涂层与基体间为冶金结合，如图9所示；另一方面可以实现对致密薄膜预置层进行辐照作业，使致密薄膜与工件12基体界面的材料发生热扩散，提升薄涂层与基体的结合力，如图10所示。
此外，本申请中，上述超快激光光路振镜22和连续激光光路振镜32可替换成XY位移平台与激光聚焦镜头。超快激光光路中与连续激光光路中，激光传播路线由光路光学镜片引导可替换由光纤引导激光传播路径。
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
本实施例提供了一种薄涂层的制备系统，其包括密封腔体10、超快激光设备、连续激光设备、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移平台、靶材位移驱动电机42、工件安装平台、工件位移驱动电机44、第一石英玻璃51、第二石英玻璃52、第一安装法兰61、第二安装法兰62、第一固定法兰、第二固定法兰、第三固定法兰、第四固定法兰和工控机70。
密封腔体10用于放置靶材11和工件12。
超快激光设备包括通过光路依次连接的超快激光器21、第一光路光学镜片和超快激光光路振镜22。连续激光设备包括通过光路依次连接的连续激光器31、第二光路光学镜片和连续激光光路振镜32。
抽真空部件和保护气体填充部件分别通过管路与密封腔体10连通。抽真空部件为三级真空泵。保护气体填充部件与密封腔体10连接的管路上设有精密气阀，密封腔体10内还设有真空测量计。
靶材位移平台包括第一平台座411和第一连接杆412，第一平台座411位于密封腔体10内并用于放置靶材11；第一连接杆412的一端与靶材位移平台连接，另一端与靶材位移驱动电机42连接。工件安装平台包括第二平台座和第二连接杆43，第二平台座位于密封腔体10内并用于放置工件12；第二连接杆43的一端与工件安装平台连接，另一端与工件位移驱动电机44连接。
第一安装法兰61用于将第一石英玻璃51安装于密封腔体10的外表面以使透过超快激光光路振镜22的激光透过第一石英玻璃51入射至靶材11处。第二安装法兰62用于将第二石英玻璃52安装于密封腔体10的外表面以使透过连续激光光路振镜32的激光透过第二石英玻璃52入射至工件12处。
第一固定法兰用于对第一连接杆412与靶材位移驱动电机42的连接处进行固定，第二固定法兰用于对第二连接杆43与工件位移驱动电机44的连接处进行固定。第三固定法兰用于连接密封腔体10与抽真空部件，第四固定法兰用于连接密封腔体10和保护气体填充部件。
工控机70与超快激光器21、连续激光器31、超快激光光路振镜22、连续激光光路振镜32、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移驱动电机42、工件位移驱动电机44均电信号连接。
实施例2
本实施例提供了一种薄涂层(涂层原材料为Cr)，其是通过采用实施例1的制备系统按以下方法制备得到：
步骤①：对工件12及靶材11表面进行清洁，安装工件12与靶材11，调整工件12与靶材11之间的距离；
步骤②：对工作腔体抽真空并进行气氛调控；
步骤③：启动工件12与靶材11的旋转及位移机构，使工件12与靶材11满足超快激光沉积预置层与连续激光熔化的位移需求；
步骤④：超快激光辐照靶材11诱发等离子体，并在工件12上均匀沉积预置层；
步骤⑤：连续激光对工件12上预置层进行熔化；
步骤⑥：重复上述步骤④和步骤⑤，直至形成所需涂层；
步骤⑦：待工件12冷却后对工作腔体进行放气，并取下工件12及靶材11。
其中，工件12材质为30CrNiMo低合金钢，靶材11为Cr靶，靶材11与工件12距离为45mm。超快激光的参数为：脉宽为10ps，单脉冲能量为350μJ，频率300kHz，激光波长1064nm。连续激光的参数为：功率为70W，光斑直径为150μm，熔化的连续激光扫描速率为5mm/s，熔化搭接率为40％，激光波长为1064nm，腔体内气氛为300Pa，氩气保护。制备的得到的涂层厚度为10μm，膜基结合强度为>200N(划痕法测结合力，200N时无破膜现象)。
超快激光制备的疏松金属纳米粉末预置层的形貌图如图7所示，由图7可以看出：“疏松”的金属纳米粉末(或颗粒)预置层具有孔隙，该预置层主要是由颗粒堆垛形成(颗粒间相互作用力极小)，孔隙是相互连续的。
连续激光熔化疏松金属纳米粉末预置层后的涂层形貌图如图9所示，由图9可以看出：预置层不再是疏松金属纳米粉末，受激光熔化后，先熔化后凝固，继而形成致密的涂层。涂层与基体界面发生了熔凝不再是平整的，形成波浪形界面，说明涂层与基体间发生了冶金结合。
实施例3
本实施例提供了一种薄涂层(涂层原材料为Cr)，其是通过采用实施例1的制备系统按以下方法制备得到：
步骤①：对工件12及靶材11表面进行清洁，安装工件12与靶材11，调整工件12与靶材11之间的距离；
步骤②：对工作腔体抽真空并进行气氛调控；
步骤③：启动工件12与靶材11的旋转及位移机构，使工件12与靶材11满足超快激光沉积预置层与连续激光辐照的位移需求；
步骤④：超快激光辐照靶材11诱发等离子体，并在工件12上均匀沉积预置层；
步骤⑤：连续激光对工件12上预置层进行辐照；
步骤⑥：重复上述步骤④和步骤⑤，直至形成所需涂层；
步骤⑦：待工件12冷却后对工作腔体进行放气，并取下工件12及靶材11。
其中，工件12材质为30CrNiMo低合金钢，靶材11为Cr靶，靶材11与工件距离为45mm。超快激光的参数为：脉宽为10ps，单脉冲能量为350μJ，频率300kHz，激光波长1064nm。连续激光参数为：功率为35W，光斑直径为300μm，辐照的连续激光扫描速率为8mm/s，辐照的搭接率为30％，激光波长为1064nm，腔体内气氛为高真空(<10-3MPa)。制备的得到的涂层厚度为3μm，膜基结合强度为95N(划痕法测结合力，95N时出现破膜现象)。
超快激光制备的致密金属连续介质预置层的形貌图如图9所示，由图9可以看出：“致密”的连续金属介质预置层的形态是固态金属连续介质，孔隙等缺陷呈岛状被孤立开。
连续激光熔覆致密金属连续介质预置层后的涂层形貌图如图10所示，由图10可以看出：受激光辐照后，预置层未发生熔凝，仍是致密的金属连续介质；涂层与基体界面平整，未发生熔凝现象。
综上所述，本申请提供的薄涂层制备技术的优点包括：
A、采用超快激光烧蚀靶材11，形成羽辉，此时靶材11成分被完全保留，因此工件12上形成的疏松金属纳米粉末预置层或致密金属连续介质预置层的成分与靶材11完全一致，具有材料成分高保真性的优势；
B、采用超快激光烧蚀靶材11，对金属材料皆可形成羽辉，因此该技术可制备金属薄涂层；
C、采用超快激光烧蚀靶材11，可形成疏松金属纳米粉末预置层或致密薄膜预置层，疏松金属纳米粉末预置层可用于后续连续激光熔化工艺，预置层与极小部分工件12基体发生熔化凝固，界面冶金结合，结合强度极高；致密薄膜预置层可保证薄涂层的光洁度和涂层自身成分的保真性，通过后续连续激光辐照工艺，在不引起相变条件下，通过热输入使界面发生热扩散提升涂层结合力；
D、连续-超快激光复合工艺薄涂层制备技术实现了超快激光制备薄涂层预置层与连续激光制备最终涂层的复合集成技术，且可以通过工艺的调控，使薄涂层成型过程可以存在不同的过程形态(包括疏松纳米粉末、致密薄膜，熔凝冶金以及原子热扩散)，借此以满足不同种类材料薄涂层的制备需求，使技术制备的薄涂层材料大为扩展。
以上所述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 (1)
1.一种薄涂层的制备方法，其特征在于，采用薄涂层的制备系统制备薄涂层；
所述薄涂层的制备系统包括密封腔体、超快激光设备、连续激光设备、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移平台、靶材位移驱动电机、工件安装平台、工件位移驱动电机、第一石英玻璃、第二石英玻璃、第一安装法兰、第二安装法兰、第一固定法兰、第二固定法兰、第三固定法兰、第四固定法兰和工控机；
密封腔体用于放置靶材和工件；
超快激光设备包括通过光路依次连接的超快激光器、第一光路光学镜片和超快激光光路振镜；连续激光设备包括通过光路依次连接的连续激光器、第二光路光学镜片和连续激光光路振镜；
抽真空部件和保护气体填充部件分别通过管路与密封腔体连通；抽真空部件为三级真空泵；保护气体填充部件与密封腔体连接的管路上设有精密气阀，密封腔体内还设有真空测量计；
靶材位移平台包括第一平台座和第一连接杆，第一平台座位于密封腔体内并用于放置靶材；第一连接杆的一端与靶材位移平台连接，另一端与靶材位移驱动电机连接；工件安装平台包括第二平台座和第二连接杆，第二平台座位于密封腔体内并用于放置工件；第二连接杆的一端与工件安装平台连接，另一端与工件位移驱动电机连接；
第一安装法兰用于将第一石英玻璃安装于密封腔体的外表面以使透过超快激光光路振镜的激光透过第一石英玻璃入射至靶材处；第二安装法兰用于将第二石英玻璃安装于密封腔体的外表面以使透过连续激光光路振镜的激光透过第二石英玻璃入射至工件处；
第一固定法兰用于对第一连接杆与靶材位移驱动电机的连接处进行固定，第二固定法兰用于对第二连接杆与工件位移驱动电机的连接处进行固定；第三固定法兰用于连接密封腔体与抽真空部件，第四固定法兰用于连接密封腔体和保护气体填充部件；
工控机与超快激光器、连续激光器、超快激光光路振镜、连续激光光路振镜、抽真空部件、保护气体填充部件、靶材位移驱动电机、工件位移驱动电机均电信号连接；
制备包括以下步骤：
步骤①：对工件及靶材表面进行清洁，安装工件与靶材，调整工件与靶材之间的距离；
步骤②：对工作腔体抽真空并进行气氛调控；
步骤③：启动工件与靶材的旋转及位移机构，使工件与靶材满足超快激光沉积预置层与连续激光熔化的位移需求；
步骤④：超快激光辐照靶材诱发等离子体，并在工件上均匀沉积预置层；
步骤⑤：连续激光对工件上预置层进行熔化；
步骤⑥：重复上述步骤④和步骤⑤，直至形成所需涂层；
步骤⑦：待工件冷却后对工作腔体进行放气，并取下工件及靶材；
其中，工件材质为30CrNiMo低合金钢，靶材为Cr靶，靶材与工件距离为45mm；超快激光的参数为：脉宽为10ps，单脉冲能量为350μJ，频率300kHz，激光波长1064nm；连续激光的参数为：功率为70W，光斑直径为150μm，熔化的连续激光扫描速率为5mm/s，熔化搭接率为40％，激光波长为1064nm，腔体内气氛为300Pa，氩气保护；
或者，
步骤①：对工件及靶材表面进行清洁，安装工件与靶材，调整工件与靶材之间的距离；
步骤②：对工作腔体抽真空并进行气氛调控；
步骤③：启动工件与靶材的旋转及位移机构，使工件与靶材满足超快激光沉积预置层与连续激光辐照的位移需求；
步骤④：超快激光辐照靶材诱发等离子体，并在工件上均匀沉积预置层；
步骤⑤：连续激光对工件上预置层进行辐照；
步骤⑥：重复上述步骤④和步骤⑤，直至形成所需涂层；
步骤⑦：待工件冷却后对工作腔体进行放气，并取下工件及靶材；
其中，工件材质为30CrNiMo低合金钢，靶材为Cr靶，靶材与工件距离为45mm；超快激光的参数为：脉宽为10ps，单脉冲能量为350μJ，频率300kHz，激光波长1064nm；连续激光参数为：功率为35W，光斑直径为300μm，辐照的连续激光扫描速率为8mm/s，辐照的搭接率为30％，激光波长为1064nm，腔体内气氛<10-3MPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211252254.3A CN115537737B (zh) | 2022-10-13 | 2022-10-13 | 一种薄涂层的制备方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211252254.3A CN115537737B (zh) | 2022-10-13 | 2022-10-13 | 一种薄涂层的制备方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115537737A CN115537737A (zh) | 2022-12-30 |
| CN115537737B true CN115537737B (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=84733833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211252254.3A Active CN115537737B (zh) | 2022-10-13 | 2022-10-13 | 一种薄涂层的制备方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115537737B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116984743A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-11-03 | 北京伯仲汇智科技有限公司 | 一种激光表面改性加工系统及改性方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5672210A (en) * | 1994-08-26 | 1997-09-30 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method and apparatus for manufacturing superconducting components via laser ablation followed by laser material processing |
| EP0819782A1 (en) * | 1996-07-16 | 1998-01-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Process of forming a thin film by laser ablation |
| WO2007149011A1 (en) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Limited Liability Company 'united Research And Development Centre' | Method for producing film coatings by means of laser ablation |
| CN101981678A (zh) * | 2008-03-27 | 2011-02-23 | Imra美国公司 | 一种制备薄膜的方法 |
| CN102450108A (zh) * | 2009-05-01 | 2012-05-09 | 密执安州立大学董事会 | 原位等离子体/激光混合技术 |
| CN203715715U (zh) * | 2014-03-05 | 2014-07-16 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种激光沉积与原位退火系统 |
| CN110219000A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-09-10 | 西安宇丰喷涂技术有限公司 | 一种耐蚀抗磨镍基合金涂层的超快激光喷熔制备方法 |
| CN112663333A (zh) * | 2020-11-22 | 2021-04-16 | 南京理工大学 | 一种用于在织物表面进行超细纳米金属粉末沉积的方法 |
| CN113977074A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 华南理工大学 | 一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法 |
| CN114525506A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-24 | 营口裕隆光电科技有限公司 | 一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080187684A1 (en) * | 2007-02-07 | 2008-08-07 | Imra America, Inc. | Method for depositing crystalline titania nanoparticles and films |
-
2022
- 2022-10-13 CN CN202211252254.3A patent/CN115537737B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5672210A (en) * | 1994-08-26 | 1997-09-30 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method and apparatus for manufacturing superconducting components via laser ablation followed by laser material processing |
| EP0819782A1 (en) * | 1996-07-16 | 1998-01-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Process of forming a thin film by laser ablation |
| WO2007149011A1 (en) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Limited Liability Company 'united Research And Development Centre' | Method for producing film coatings by means of laser ablation |
| CN101981678A (zh) * | 2008-03-27 | 2011-02-23 | Imra美国公司 | 一种制备薄膜的方法 |
| CN102450108A (zh) * | 2009-05-01 | 2012-05-09 | 密执安州立大学董事会 | 原位等离子体/激光混合技术 |
| CN203715715U (zh) * | 2014-03-05 | 2014-07-16 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种激光沉积与原位退火系统 |
| CN110219000A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-09-10 | 西安宇丰喷涂技术有限公司 | 一种耐蚀抗磨镍基合金涂层的超快激光喷熔制备方法 |
| CN112663333A (zh) * | 2020-11-22 | 2021-04-16 | 南京理工大学 | 一种用于在织物表面进行超细纳米金属粉末沉积的方法 |
| CN113977074A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 华南理工大学 | 一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法 |
| CN114525506A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-24 | 营口裕隆光电科技有限公司 | 一种合金粉末激光熔覆快速修复连铸机足辊方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115537737A (zh) | 2022-12-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10189033B2 (en) | Deposition of coatings on substrates | |
| JP6797642B2 (ja) | 原料粉体の処理方法、および三次元造形物の製造方法 | |
| Hanon et al. | Experimental and theoretical investigation of the drilling of alumina ceramic using Nd: YAG pulsed laser | |
| US8962151B2 (en) | Method of bonding solid materials | |
| US6197386B1 (en) | Method for applying a coating by means of plasma spraying while simultaneously applying a continuous laser beam | |
| Kang et al. | A study on the effect of ultrasonic vibration in nanosecond laser machining | |
| US5612099A (en) | Method and apparatus for coating a substrate | |
| CN115537737B (zh) | 一种薄涂层的制备方法及系统 | |
| KR20220119531A (ko) | 청색 레이저를 사용한 구리 용접 방법 및 시스템 | |
| JP6131326B2 (ja) | レーザークラッディングシステムのフィラー材料分配装置 | |
| US5814152A (en) | Apparatus for coating a substrate | |
| CN105220117B (zh) | 一种金属纳米粒子有序微结构的制备方法 | |
| US20080085368A1 (en) | Method and Apparatus for Coating a Substrate | |
| MX2012015278A (es) | Metodo de soldadura por laser. | |
| EP2424706A1 (en) | Additive layer fabrication method | |
| CN109789635B (zh) | 用于三维打印的装置和方法 | |
| US20100155374A1 (en) | process for energy beam solid-state metallurgical bonding of wires having two or more flat surfaces | |
| JP4873443B2 (ja) | 微粒子発生方法及び装置 | |
| JP2010120087A (ja) | 高エネルギー放射線を用いた材料加工方法 | |
| Pfleging et al. | Laser micro and nano processing of metals, ceramics, and polymers | |
| Yan et al. | Micro and nanoscale laser processing of hard brittle materials | |
| WO2009067008A1 (en) | Method and system for continuous or semi-continuous laser deposition | |
| CN110184557A (zh) | 一种激光复合热喷涂系统和方法 | |
| WO2021160338A1 (en) | Method and device for removing excess powder from components produced by additive manufacturing | |
| Moarrefzadeh | Finite-Element simulation of electron beam machining (EBM) Process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |