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扬州市迎松静电喷塑厂

Yangzhou Yingsong Electrostatic Spraying Factory

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激光表面纳米化技术的详细解释和新进展

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发布时间:
2022-03-29 01:30:32
【摘要】:
激光表面纳米化技术包括表面材料颗粒的纳米化和表面纳米结构的实现。

纳米材料和纳米结构的各种优异性能已逐渐被人们所认识。对于金属材料来说,如果晶粒细化到纳米级,其综合性能将大大提高。同时,金属材料表面的纳米图案结构可以极大地改善材料的表面性能,使材料具有抗氧化、耐磨、耐腐蚀、超疏水等一系列优异的性能。

材料表面纳米化的方法有很多。各种表面纳米化技术中,一种是将激光表面处理技术与纳米技术结合起来实现纳米特性的表面层,统称为激光表面纳米化技术;

或者更广泛地说,它被称为激光纳米表面工程技术,它直接或主要利用激光的特定技术手段,直接改变或添加材料,以改变被处理固体材料表面的形状、成分或结构,从而形成含有纳米颗粒或某些纳米颗粒成分的表面层。

或者利用激光蚀刻、激光压印、激光纹理、激光微纳米建模等手段材料表面实现纳米结构。

1.激光表面处理技术

自20世纪70年代大功率激光器研制成功后,激光表面处理技术已投入实际应用,并迅速发展。激光淬火(激光相变硬化表面改性技术)、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冲击强化等方法有很多种。

这些激光表面处理技术材料表面形成一定厚度的处理层,以改善材料表面的机械性能、冶金性能和物理性能,从而提高零件和工件的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性。激光具有功率密度高、方向性好、能量传输方便等优点,可以各种透明介质中传输。

同时,各种脉冲激光器的发展使激光表面的纳米图案化变得更加可行。

随着纳米材料和纳米表面工程技术的发展,应用各种激光表面处理技术实现零件的纳米表面也逐渐展开,并取得了一些成果。

激光表面纳米技术本质上是激光表面处理技术与纳米表面技术相结合的产物,具有激光表面处理的所有优点。与其他表面纳米技术相比,其中一些优势非常重要;

例如,机械研磨表面的纳米技术不适用于大面积、复杂形状的零件;

例如,表面滚压或振动喷丸表面纳米技术处理复杂形状零件方面存困难,这实际生产中很难实现,而激光表面纳米技术基本上没有类似的问题。

2.激光表面纳米化方法

2.1激光辐照表面纳米化技术

激光辐照表面处理的研究主要集中激光淬火和硬化的表面改性,也对激光固溶或激光退火进行了大量研究。目前,还没有研究人员明确提出激光辐照金属零件表面纳米化的研究。

然而,燕山大学的温海燕她的硕士论文中提到,用特定工艺参数的一定功率激光重复辐照研究Inconel718合金的组织和性能变化规律时,一定的处理参数下,Inconel718合金的表层出现了纳米晶粒结构。如图1所示。

  

图1 Inconel718材料激光表面处理后断口SEM照片,TM=750℃,f=1/10Hz,n=1000次

2.2激光重熔(激光重熔)表面纳米化技术

激光重熔一般是指不添加任何其他成分的情况下,用高能聚焦激光束熔化零件表面,通过快速熔化和凝固基体表面来细化晶粒和消除缺陷,从而达到改善表面结构的目的。

激光重熔作为一种表面工程技术,已被大量研究人员所研究。指出激光重熔可以显著提高材料的表面硬度、耐蚀性和耐磨性,但作为一种表面纳米技术,还没有人单独提出。

本文介绍了吉林大学用激光重熔gch13和Wang3晶粒的情况。

他们的做法是,如图2所示,将试样置于含有去离子水的容器中。调节水量可根据液体表面与处理表面之间的距离进行调节,然后用具有一定工艺参数的Nd:YAG激光对样品表面进行重熔。结果如图3和图4所示。

  

图2激光表面重熔装置及试件示意图

  

图3 H13钢不同处理条件下的微观结构:(a)空气中,(b)1mm水层,(c)2mm水层,(d)3mm水层

  

图4 GCr15钢不同处理条件下的微观结构:(a)1mm水层,(b)2mm水层,(c)3mm水层

2.3激光熔覆表面纳米技术

激光熔覆也称为激光熔覆或激光熔覆。激光辐照和激光重熔均直接处理基材,无需添加其他材料。然而,激光熔覆是一种基材表面添加熔覆材料,并通过使用高能密度激光束将其与基材表面的薄层熔合,从而基材表面形成与冶金结合的材料添加熔覆层的方法。

激光熔覆表面纳米化技术可分为三个主要方面。第一个方面是采用类似于激光重熔表面纳米化的方法,并激光熔覆过程中采取相应措施直接形成纳米晶粒结构。

这种方法有两种类型。一是敷料和基质的成分基本不变。激光熔覆过程中熔池的形成和冷却主要是物理过程。目前,这种方法相关文献中比较少见。

另一种是激光熔覆过程中,敷料与基体之间或敷料与敷料之间的化学反应会产生纳米颗粒或纳米结构。

这种原位生成纳米结构涂层的方法也是表面工程技术的一个热门研究方向。例如,唐晨霞和赵剑峰用不同的激光功率照射平均粒径为20 nm的SiC粉末压坯,表面形成SiC纳米晶须,如图5所示。

  

图5原位生成的纳米SiC晶须(a)200W(b)250W(c)300W(d)400W

2.4激光冲击表面纳米化技术

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子体冲击波来提高金属材料的抗疲劳性、耐磨性和耐腐蚀性的高新技术。

如图6所示,当短脉冲(NS)的高功率密度(GW/cm2)激光照射金属表面上的吸收层时,吸收层吸收激光能量并产生爆炸性汽化和蒸发,产生高压(GPA)等离子体。等离子体受约束层约束,产生高压冲击波,作用于金属表面并内部传播,材料表面形成致密稳定的位错结构,位错通过滑移发生塑性变形,冲击波晶界的反射和折射使冲击波向多个方向作用于晶粒。因此,位错的复杂滑移、凝聚和湮灭之后,新的晶界形成,并形成更小的亚晶体和纳米晶体。

聂向凡等对TC6钛合金进行了激光冲击试验。试验表明,单次冲击试验后,材料表面出现大量高密度位错。三次激光冲击后,主要形成100~200nm的亚微米晶粒,五次冲击后形成约40nm均匀分布的晶粒。继续增加冲击次数无助于细化晶粒,但有助于改善纳米晶体的均匀性。实验结果如图7所示。

  

图6激光冲击原理示意图

  

图7 TC6表面不同冲击时间下的微观结构特征

2.5激光表面蚀刻

纽约罗切斯特大学的研究人员利用飞秒激光脉冲轰击普通金属,研制出一种不寻常的新型表面材料。能有效吸收光能,防水,自我净化。

高能激光脉冲金属表面刻蚀了大量的“痕迹”,如凹坑、珠子和细线,形成了致密、不均匀的纳米结构。这种纳米结构从根本上改变了金属表面的光学和润湿性能。

  

图8飞秒激光金属表面蚀刻的层次结构,以及水滴从经该技术处理的样品表面滑落

2.6激光表面纳米压印

普渡大学(Purdue University)的博士生和教授开发了激光振动压印技术,该技术可以室温下创建小到10纳米的3D晶体金属结构,其表面非常光滑。

这种方法可以金属板上形成具有纳米级3D结构的大面积图案,并可能导致出现创新的低成本大规模制造方法,例如先进技术领域使用“等离子超材料”。

利用这项技术,他们使用钛、铝、铜、金、银和其他金属制造材料,以生成各种纳米形状,如纳米金字塔、齿轮、短板、凹槽和渔网。如图9所示,这些形状的大小只有人类头发宽度的千分之一。

这种“振动诱导成型”技术可以非常精确地定义角度和垂直面。

  

图9几种激光纳米压印图案

2.7其他激光表面纳米图案化方法

材料表面进行激光纳米图案化的方法也有很多,如激光纹理、激光微纳米建模等。

3总结

表面处理技术的应用有着悠久的历史,但从概念到表面工程技术发展成为一个完整的学科体系的时间只有几十年。激光表面纳米化技术结合了激光技术、纳米技术和表面工程技术,也可以称为激光纳米表面工程技术。

虽然它所采用的各种激光表面处理技术,如激光辐照、激光重熔、激光熔覆和激光冲击等,都有大量的研究数据并取得了丰硕的成果,但专门利用这些技术进行表面纳米处理的研究还相对较少,也不系统,而激光表面纳米图案化的发展还处于起步阶段,因此,这一领域还有很多研究工作要做



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