一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，涉及激光加工與材料學(xué)領(lǐng)域，通過在基體表面利用光刻腐蝕的方法制作出非光滑表面，將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，利用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小而增加，用強(qiáng)脈沖激光沖擊基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時有一部分納米顆粒植入到非光滑表面，復(fù)制了其復(fù)雜的表面特征并保留了非光滑表面的特性，同時大幅增強(qiáng)了其表面硬度與耐磨性。本發(fā)明可應(yīng)用于軸承等對表面性能要求高的關(guān)鍵部件。
【專利說明】
一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激光加工與材料學(xué)領(lǐng)域，特指一種利用光刻膠的方法在合金基體表面制備出非光滑表面的表面特征，并通過激光沖擊的方法在非光滑表面沖擊植入納米顆粒， 復(fù)制其復(fù)雜的表面特征與非光滑表面特性，并大幅增強(qiáng)其表面硬度與耐磨性?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]許多動物體表的溝槽型(助條樣)、鱗片型、凸包型和凹坑型形態(tài)和結(jié)構(gòu)與其生活習(xí)性相適應(yīng)，他們特異的微結(jié)構(gòu)使非光滑表面具有優(yōu)異的減阻、減摩、抗粘附和抗磨損的特性，因此成為仿生學(xué)研究和應(yīng)用的一個新領(lǐng)域。生物體的表面結(jié)構(gòu)是非光滑的，所謂的非光滑表面是指在界面粘附系統(tǒng)中，若一個光滑表面內(nèi)的任何宏觀區(qū)塊上存在一個或幾種因素構(gòu)成的非光滑效應(yīng)，則該表面為非光滑表面。
[0003]激光沖擊強(qiáng)化是指吸收層吸收激光能量產(chǎn)生離子沖擊波，沖擊波受約束層作用， 產(chǎn)生反作用力作用于基體表面，使基體表面產(chǎn)生塑性變形，并伴隨有殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生。激光沖擊植入是指在基體表面覆蓋一層納米顆粒吸收層，在激光作用下，納米顆粒汽化，形成離子沖擊波，同時一部分未被汽化的納米顆粒在沖擊波的作用下植入基體表面，從而提高基體的硬度，耐磨性，耐腐蝕性能等。
[0004]通常方法制造出的非光滑表面表面特征強(qiáng)度低，很容易發(fā)生局部表面特征破損， 降低非光滑表面的使用壽命，且表面硬度與耐磨性不高?，F(xiàn)有的專利如公開號為 CN102191497A的專利提出一種在合金基體表面制備納米碳基薄膜的方法和裝置，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基體表面納米碳基薄膜的制備，但是不能制作出非光滑表面，無法獲得非光滑表面的特有性能。
[0005]為解決上述問題，通過對非光滑表面特性以及納米碳基薄膜性能的研究，提出一種新型的制作合金基體表面非光滑納米碳基薄膜的方法，其在制備非光滑表面的基礎(chǔ)上植入納米顆粒，獲得非光滑表面的特有性能并提高其表面硬度與耐磨性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法， 以提高非光滑表面表面特征強(qiáng)度、使用壽命、表面硬度和耐磨性。為了解決以上技術(shù)問題， 本發(fā)明采用具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008]步驟一，合金基體表面預(yù)處理:采用金相砂紙將待處理試樣進(jìn)行逐級磨削處理 (200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超聲波清洗機(jī)清除表面的灰塵與油漬，并完成必要的裂紋探測過程；
[0009]步驟二，制作非光滑表面:在所述合金基體表面待加工區(qū)域覆蓋上一層光刻膠，利用光照刻畫出復(fù)雜的合金基體表面特征，然后用腐蝕液腐蝕掉被曝光的部分，從而制作出非光滑表面；
[0010]步驟三，將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，利用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小而增加;然后覆蓋上約束層，并將其安裝在五軸工作臺上；[〇〇11] 步驟四，通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)；用強(qiáng)脈沖激光沖擊合金基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時有一部分納米顆粒植入到非光滑表面，復(fù)制了其復(fù)雜的表面特征并保留了非光滑表面的特性，同時大幅增強(qiáng)了其表面硬度與耐磨性；
[0012]步驟五，通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束光斑中心與基體非光滑表面待沖擊區(qū)域的左上角重合在A點(diǎn)，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使待沖擊區(qū)域X軸和Y軸方向與工作臺的X軸和Y軸方向一致；
[0013]步驟六，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動實(shí)現(xiàn)對試樣待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，設(shè)定行間和列間光斑搭接率為20 %-80%，最終完成對整個待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化并獲得非光滑納米碳基薄膜。
[0014]所述激光器采用的單脈沖Nd:YAG平頂型激光器，工作參數(shù)為:波長1064nm，脈沖寬度5-lOns，單次脈沖能量1.5J-10J，光斑半徑l-3mm;約束層材料為K9玻璃。[〇〇15]所述柔性混合吸收層的成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算為:45%的黑漆、45%的納米陶瓷粉末和10%的用來改善激光吸收層柔性的柔性添加劑;所述柔性添加劑按重量含量由23? 50%多元醇、35?65%芳香多元酸、0?10%脂肪多元酸、0?2%支化劑、10?20%酸解劑、 0.01?0.15 %酯化催化劑混合均勻制成。
[0016]所述光刻膠為正性膠，采用含有疊氮醌類化合物的材料，經(jīng)光照后會發(fā)生光分解反應(yīng)，由油溶性變?yōu)樗苄?所述光刻膠經(jīng)過曝光后，受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形。
[0017]本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明通過采用光刻膠腐蝕的方法可以在合金基體表面制備出具有復(fù)雜表面特征的非光滑表面，且在激光沖擊波的作用下，非光滑表面納米顆粒的吸附作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時有一部分納米顆粒植入到非光滑表面，復(fù)制了其復(fù)雜的表面特征并保留了非光滑表面的特性，提高了非光滑表面表面特征強(qiáng)度，同時大幅增強(qiáng)了其表面硬度與耐磨性?！靖綀D說明】
[0018]圖1為本發(fā)明激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖。[0〇19]圖2為本發(fā)明藍(lán)魚皮膚非光滑表面的顯微結(jié)構(gòu)。
[0020]圖3a為本發(fā)明光刻膠腐蝕制出的非光滑表面仿制品，即所仿制生物表面制作的非光滑表面。
[0021]圖3b為本發(fā)明制備的非光滑納米碳基薄膜。
[0022]圖中:1.激光器控制裝置，2.激光器，3.激光束，4.k9玻璃約束層，5.柔性混合吸收層，6.試樣，7.五軸工作臺?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明提供了一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，在合金基體表面通過光刻膠光照曝光并腐蝕的方法制備出非光滑表面的表面特征，然后利用激光沖擊波沖擊植入納米顆粒，復(fù)制出非光滑納米碳基薄膜，并提高其表面硬度與耐磨性。
[0025]實(shí)例 1:[〇〇26]選取鎂合金作為研究對象，將鎂合金制成50 X 20mm X 5mm的塊狀試樣，采用金相砂紙將待處理試樣進(jìn)行逐級磨削處理(200#、600#、800#和1200#)，并放在酒精溶液中用超聲波清洗機(jī)清除表面的灰塵與油漬，并完成必要的裂紋探測過程，確定試樣表面沒有明顯的裂紋與缺陷。
[0027]在試樣基體表面待加工區(qū)域覆蓋上一層光刻膠，利用光照刻畫出鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征，如圖2所示。受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形，然后對被曝光的部分進(jìn)行腐蝕處理，得到鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征，如圖3a所示。
[0028]將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，然后覆蓋上約束層K9玻璃，并將其安裝在五軸工作臺上。[〇〇29] 通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù):波長1064nm，脈沖寬度設(shè)定為l〇ns，單次脈沖能量設(shè)為10J，光斑半徑設(shè)為3mm。
[0030]通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束光斑中心與基體非光滑表面待沖擊區(qū)域的左上角重合在A點(diǎn)，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸方向與工作臺的X軸和Y軸方向一致。
[0031]打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動實(shí)現(xiàn)對試樣待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，設(shè)定行間和列間光斑搭接率80 %，最終完成對整個待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)納米顆粒的沖擊植入及非光滑納米碳基薄膜的制備，如圖3b所示。 激光沖擊強(qiáng)化裝置如圖1所示。
[0032]本實(shí)施例在鎂合金表面制作出仿生非光滑納米碳基薄膜，采用顯微硬度儀測試了其硬度為298HV，較傳統(tǒng)方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了43%。
[0033]實(shí)例2:[〇〇34] 采用金相砂紙將待處理鎂合金試樣進(jìn)行逐級磨削處理(200#、600#、800#和 1200#)，并放在酒精溶液中用超聲波清洗機(jī)清除表面的灰塵與油漬，并完成必要的裂紋探測過程，確定試樣表面沒有明顯的裂紋與缺陷。
[0035]在試樣基體表面待加工區(qū)域覆蓋上一層光刻膠，利用光照刻畫出鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征，受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形，然后對被曝光的部分進(jìn)行腐蝕處理，得到鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征。
[0036]將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，然后覆蓋上約束層K9玻璃，并將其安裝在五軸工作臺上。[〇〇37] 通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù):波長1064nm，脈沖寬度設(shè)定為8ns，單次脈沖能量設(shè)為6J，光斑半徑設(shè)為2mm。
[0038]通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束光斑中心與基體非光滑表面待沖擊區(qū)域的左上角重合在A點(diǎn)，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸方向與工作臺的X軸和Y軸方向一致。
[0039]打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動實(shí)現(xiàn)對試樣待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，設(shè)定行間和列間光斑搭接率50 %，最終完成對整個待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)納米顆粒的沖擊植入及非光滑納米碳基薄膜的制備。
[0040]本實(shí)施例在鎂合金表面制作出仿生非光滑納米碳基薄膜，采用顯微硬度儀測試了其硬度為261HV，較傳統(tǒng)方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了35%。
[0041]實(shí)例3:[〇〇42] 采用金相砂紙將待處理鎂合金試樣進(jìn)行逐級磨削處理(200#、600#、800#和 1200#)，并放在酒精溶液中用超聲波清洗機(jī)清除表面的灰塵與油漬，并完成必要的裂紋探測過程，確定試樣表面沒有明顯的裂紋與缺陷。
[0043]在試樣基體表面待加工區(qū)域覆蓋上一層光刻膠，利用光照刻畫出鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征，受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形，然后對被曝光的部分進(jìn)行腐蝕處理，得到鯊魚皮膚非光滑表面的表面特征。
[0044]將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，然后覆蓋上約束層K9玻璃，并將其安裝在五軸工作臺上。
[0045]通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù):波長1064nm，脈沖寬度設(shè)定為5ns，單次脈沖能量設(shè)為1.5J，光斑半徑設(shè)為1mm。
[0046]通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束光斑中心與基體非光滑表面待沖擊區(qū)域的左上角重合在A點(diǎn)，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使網(wǎng)格區(qū)域的X軸和Y軸方向與工作臺的X軸和Y軸方向一致。
[0047]打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動實(shí)現(xiàn)對試樣待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，設(shè)定行間和列間光斑搭接率20 %，最終完成對整個待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)納米顆粒的沖擊植入及非光滑納米碳基薄膜的制備。[〇〇48]本實(shí)施例在鎂合金表面制作出仿生非光滑納米碳基薄膜，采用顯微硬度儀測試了其硬度為183HV，較傳統(tǒng)方法制作的仿生非光滑表面的硬度提高了21%。
【主權(quán)項】
1.一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，其特征在于包括以下步 驟:步驟一，合金基體表面預(yù)處理:采用金相砂紙將待處理試樣進(jìn)行逐級磨削處理，并放在 酒精溶液中用超聲波清洗機(jī)清除表面的灰塵與油漬，并完成必要的裂紋探測過程；步驟二，制作非光滑表面:在所述合金基體表面待加工區(qū)域覆蓋上一層光刻膠，利用光 照刻畫出復(fù)雜的合金基體表面特征，然后用腐蝕液腐蝕掉被曝光的部分，從而制作出非光 滑表面；步驟三，將納米陶瓷顆粒與黑漆相結(jié)合制成柔性混合吸收層覆蓋在非光滑表面上，利 用納米粒子表面吸附的尺寸效應(yīng)使其吸附在非光滑表面，即平衡吸附常數(shù)隨著尺寸的減小 而增加;然后覆蓋上約束層，并將其安裝在五軸工作臺上；步驟四，通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)；用強(qiáng)脈沖激光沖擊 合金基體表面，使吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，納米顆粒的吸附作用在強(qiáng)沖擊波作用下得 到進(jìn)一步強(qiáng)化，同時有一部分納米顆粒植入到非光滑表面，復(fù)制了其復(fù)雜的表面特征并保 留了非光滑表面的特性，同時大幅增強(qiáng)了其表面硬度與耐磨性；步驟五，通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束光斑中心與基體非光滑表面待沖擊區(qū) 域的左上角重合在A點(diǎn)，作為沖擊強(qiáng)化處理起始位置，并使待沖擊區(qū)域X軸和Y軸方向與工作 臺的X軸和Y軸方向一致；步驟六，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動實(shí)現(xiàn) 對試樣待加工表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，設(shè)定行間和列間光斑搭接率為20 %-80 %，最終完成 對整個待沖擊區(qū)域的沖擊強(qiáng)化并獲得非光滑納米碳基薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，其 特征在于:所述激光器采用的單脈沖Nd:YAG平頂型激光器，工作參數(shù)為:波長1064nm，脈沖 寬度5-lOns，單次脈沖能量1.5J-10J，光斑半徑l-3mm;約束層材料為K9玻璃。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，其 特征在于:所述柔性混合吸收層的成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算為:45%的黑漆、45%的納米陶瓷粉 末和10%的用來改善激光吸收層柔性的柔性添加劑;所述柔性添加劑按重量含量由23? 50%多元醇、35?65%芳香多元酸、0?10%脂肪多元酸、0?2%支化劑、10?20%酸解劑、 0.01?0.15 %酯化催化劑混合均勻制成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種合金基體表面制備仿生非光滑納米碳基薄膜的方法，其 特征在于:所述光刻膠為正性膠，采用含有疊氮醌類化合物的材料，經(jīng)光照后會發(fā)生光分解 反應(yīng)，由油溶性變?yōu)樗苄?所述光刻膠經(jīng)過曝光后，受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過 顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形。
【文檔編號】C21D10/00GK106086390SQ201610747832
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發(fā)明人】魯金忠, 張文泉, 羅開玉
【申請人】江蘇大學(xué)