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激光表面納米化技術詳解及最新進展

2017-07-11   來源:MEMS技術   評論:0
摘要: 激光表面納米化技術納包括表層材料晶粒納米化和實現表層納米結構。納米材料和納米結構所具有的各種的優異性能已經逐漸被人們認識,對
       激光表面納米化技術納包括表層材料晶粒納米化和實現表層納米結構。

納米材料和納米結構所具有的各種的優異性能已經逐漸被人們認識,對金屬材料來說如果晶粒尺寸細化到納米量級,其綜合性能將大幅度提高,同時金屬材料表層的納米圖案結構可以極大地改善材料表面性能,可以使材料具有抗氧化,耐磨,耐腐蝕,超疏水等一系列優異性能。

材料表面納米化的方法有多種,在各類表面納米化技術中有一大類,是利用激光表面處理技術和納米技術相結合實現納米特性的表面層,可以統稱為激光表面納米化技術;

或更廣義的稱之為激光納米表面工程技術,就是直接或主要利用激光這種特定的技術手段,直接改變或是添加材料改變被處理固體材料表面的形態、成分或結構,使其形成含有納米晶粒或一定納米顆粒成分的表層。

或者使用激光刻蝕,激光壓印,激光毛化,激光微納造型等手段在材料表面實現納米結構。

1 激光表面處理技術

上個世紀70年代大功率激光器研制成功后,使激光表面處理技術進入實際應用,隨后迅速發展,先后出現了激光淬火(激光相變硬化表面改性技術)、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆、激光表面非晶化和激光沖擊強化等方法。

這些激光表面處理技術通過使材料表面形成一定厚度的處理層,以改善材料表面的力學性能、冶金性能、物理性能,從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能。激光由于功率密度高,方向性好,能量傳遞方便,可在各種透明介質中傳輸等特點。

同時各種段脈沖激光的發展使得激光表面納米圖案化愈加可行。

隨著納米材料和納米表面工程技術的發展,應用各種激光表面處理技術,實現零件表面納米化的探索也逐漸展開,并取得一定成果。

激光表面納米化技術由于實質上就是激光表面處理技術和納米表面技術結合所產生的,所以其同樣具有激光表面處理的所有優點,相較于其他表面納米化技術,這些優點有的是至關重要的;

比如機械研磨表面納米化技術,就不適用于大面積、復雜形狀的零件;

再比如表面輥壓或振動噴丸表面納米化技術在處理復雜形狀零件上都有困難,實際生產中難以實現,而激光表面納米化技術卻基本不存在類似問題。

2 激光表面納米化的方法

2.1激光輻照表面納米化技術

激光輻照表面處理研究較多地集中在激光淬火硬化的表面改性工作上,同時也在激光固溶或激光退火上進行了很多的研究,目前尚無研究人員明確提出使用激光輻照進行金屬零件表面納米化的研究。

但燕山大學的文海燕在她的碩士論文中提到,使用一定功率的激光以特定的工藝參數反復循環輻照,對Inconel718合金微觀組織性能變化規律的研究過程中,在某一組處理參數下,Inconel718材料表層出現納米晶粒結構。如圖1所示。

圖1 Inconel718材料激光表面處理后斷口掃描電鏡照片 Tm=750℃,f=1/10Hz,N=1000 次

2.2 激光重熔(激光熔凝)表面納米化技術

激光重熔一般是指,用高能聚焦激光束將零件表面熔化而不加任何其他成分,以基體表層的快速融化和凝固細化晶粒、消除缺陷,達到表面組織改善的目的。

激光重熔作為一種表面工程技術,已有大量的研究人員做過相關研究工作,研究指出通過激光重熔處理能夠顯著提高材料的表面硬度、抗腐蝕能力和磨損性能,但作為表面納米化技術尚無人單獨明確提出。

吉林大學 Chengtao Wang、Peng Zhang分別在其論文中提到使用激光重熔處理GCr15、H13鋼得到納米晶粒組織這一事實。

他們的做法是,如圖2所示,將試件放在盛有去離子水的容器中,調整水量可調整液面到被處理面的距離,然后用Nd:YAG激光以一定的工藝參數進行試件表面重熔。其結果如圖3、圖4所示。

圖2 激光表面重熔裝置和試件示意圖

圖3 不同處理狀態下H13鋼微觀結構(a)空氣中, (b) 1 mm 水層, (c) 2 mm 水層, (d) 3 mm 水層.

圖4 不同處理狀態下GCr15鋼微觀結構(a)1 mm 水層 , (b) 2 mm 水層, (c)3 mm 水層.

2.3 激光熔覆表面納米化技術

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷,激光輻照和激光重熔都是直接處理基體材料而不添加其他材料,但激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料,并利用高能量密度的激光束,使之與基材表面薄層一起熔凝的方法,在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。激光熔覆表面納米化技術可以分為三個主要方面,第一方面,是采用類似激光重熔表面納米化的方法,采取相應措施直接在激光熔覆的過程中使熔敷層形成納米晶粒結構。

這種方法又有兩種類型,一種是熔敷料和基體成分基本不變,激光熔覆過程熔池的形成和冷卻以物理過程為主,此種方法目前相關文獻較為少見。

另一種是在激光熔覆過程中熔敷料和基體,或熔敷料和熔敷料之間相互發生化學反應生成納米顆粒或納米尺寸組織。

這種原位生成納米結構涂層的方法也是現在表面工程技術的一個熱門研究方向,如唐陳霞、趙劍鋒等使用不同激光功率照射平均顆粒直徑20nm的SiC粉末壓塊,在表面形成SiC納米晶須如圖5所示。

圖5 原位生成的納米SiC晶須(a)200W (b)250W(c)300W (d)400W

2.4 激光沖擊表面納米化技術

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子沖擊波,提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。

激光沖擊表面納米化技術如圖6所示,當短脈沖(ns)的高功率密度(GW/cm2 )的激光照射到金屬表面吸收層時,吸收層吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發,產生高壓(GPa)等離子體,該等離子體受到約束層的約束,產生高壓沖擊波,作用于金屬表面并向內部傳播,在材料表層形成密集、穩定的位錯結構,位錯再通過滑移進行塑性變形,而沖擊波在晶界上的反射和折射作用,使得沖擊波在多方向上作用于晶粒,從而位錯進行復雜的滑移、集聚和湮滅后形成新的晶界,形成較小的亞晶和納米晶。

聶祥樊等對TC6鈦合金進行了激光沖擊試驗研究,試驗表明,單次沖擊試驗后材料表面出現大量高密度錯位,3次激光沖擊處理后,主要形成100~200nm亞微米晶粒,沖擊5次后形成40nm左右的均勻分布晶粒,繼續增加沖擊次數對晶粒的細化幫助不大,但有助于提高納米晶的均勻程度,實驗結果如圖7所示。

圖6 激光沖擊原理示意圖

圖7 不同沖擊次數下TC6表面的微觀組織特征

2.5 激光表面刻蝕

紐約羅切斯特大學的研究者們通過用飛秒激光脈沖轟擊普通金屬而研發出了一種非同尋常的新型表面材料,它可以有效地吸收光能,防水以及自我凈化。

通過超能激光脈沖在金屬表面刻蝕出大量肉眼不及的諸如洼坑、小珠狀和細紋等“痕跡”,這些痕跡形成了密集分布且高低不平的納米微結構。這種納米微結構從根本上改變了金屬表面的光學性質和潤濕性質。

圖 8 飛秒激光在金屬表面刻蝕出的層次結構,水珠從被該技術處理過的樣品表面上滑落

2.6 激光表面納米壓印

普渡大學的博士生和教授開發出激光震動壓印技術這種技術能夠在室溫條件下創建小至10納米的3D晶體金屬結構,而且其表面十分光滑。

這種方法能夠在一個金屬片上用納米級的3D結構組成大面積的圖案,并可能導致創新性的低成本規模制造方式的出現,比如“電漿子超穎材料(plasmonic metamaterials)”在先進技術領域的使用。

他們經使用這種技術用鈦、鋁、銅、金、銀等金屬做材料生成了各種納米形狀,比如納米金字塔、齒輪、短板、槽和漁網等,如圖9所示,這些形狀的大小只有人的頭發寬度的幾千分之一。

這種“震動誘導成型”技術能夠非常精確地定義角度和垂直面。

圖9 幾種激光納米壓印圖案

2.7 其他激光表面納米圖案化方法

其他還有一些材料表面激光納米圖案化的方法,比如激光毛化,激光微納造型等方法。3 總結

表面處理技術的應用歷史悠久,但表面工程技術從概念提出到發展成為完整的學科體系時間,到現在卻只有幾十年, 激光技術和納米技術與表面工程技術相結合的激光表面納米化技術或也可稱之為激光納米表面工程技術。

雖然其所使用的各種激光表面處理技術,如激光輻照、激光重熔、激光熔覆和激光沖擊,已經有很多的研究資料并取得了豐碩的成果,但專門有針對的運用這些技術,進行表面納米化處理的研究還比較少,并且也沒有系統化,而激光表面納米圖案化的發展尚處于初期階段,所以這一領域還有很多的研究工作可做。

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