專利名稱：一種激光復合制備表層仿生結(jié)構的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工領域，特指一種基于激光雕刻和激光沖擊的力學效應 復合制備表層仿生結(jié)構的方法和裝置，特別適用于仿生表面和摩擦副表面的加 工。
背景技術：
自然界中的生物經(jīng)過億萬年的進化,其體表組織具有非常獨特的結(jié)構和性 能。生存在黏濕土壤中的動物，如蚯蚓、田鼠、螻蛄、蟋蟀、蜣螂、馬陸、螞蟻、 步甲等對于土壤具有良好的減黏脫附功能。己有的研究表明，這些土壤動物體表 的某些觸土部位呈幾何非光滑形態(tài)(如凹坑、凸包、條紋、鱗片等)，其非光滑形 態(tài)增大了液體在動物體表的接觸角，提高體表的憎水性，破壞了水膜在體表的連 續(xù)，降低毛細管力,具有與某些植物葉面類似的"蓮花效應"。同時，動物體表的非 光滑結(jié)構還降低了與土壤的接觸面積，減小大氣負壓,使土壤動物體表具有抗黏
附作用。目前仿生表面的制備多采用機械加工和激光熱效應方法制備，其制備的 仿生表面結(jié)構精度很高，但是制備的仿生表面存在殘余拉應力，嚴重影響制備表 面的機械性能(殘余應力、硬度和粗糙度)和摩擦性能。
與本發(fā)明最為接近的技術是激光微造型技術。激光微造型技術是利用具有一 定能量密度的激光束，在摩擦副工作表面上，形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、 具有一定密度(間距)、寬度、深度、角度、形狀的規(guī)則微觀幾何形貌，以使在 摩擦副工作表面形成動壓流體潤滑或彈流潤滑。同時，利用激光的熱效益，改變 金相組織，從而達到在摩擦副表面，潤滑減磨和強化抗磨的雙重效果。但這種方 法是基于激光的熱效應即利用激光束的能量使表面材料汽化、蒸發(fā)形成凹坑，由 于激光熱效應會改變工件表面材料的組織結(jié)構，在工件表面形成殘余拉應力，從 而影響材料的耐磨性能，因此其應用具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種工件表層仿生結(jié)構激光復合制備的方法和裝置。 它可以在工件表面加工按一定方式布置的微觀凹坑，然后采用激光沖擊強化微觀凹坑區(qū)域(產(chǎn)生殘余壓應力)，用于存儲液體以便在仿生表面形成穩(wěn)定良好的液 膜，明顯改善表面的機械性能(殘余應力、硬度和粗糙度)和摩擦性能。
本發(fā)明采用的就是方案為，首先采用激光雕刻技術在工件表面制備具有一定 密度(間距)、寬度、深度、角度、形狀的規(guī)則微觀幾何形貌，然后激光沖擊強 化處理微觀幾何形貌區(qū)域，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的、與潤滑 性能要求優(yōu)化匹配的微觀結(jié)構。
實施該方法的裝置包括依次相連的控制裝置、納秒激光發(fā)生器、激光束I 、
導光管i 、全反鏡i 、光斑調(diào)節(jié)裝置i 、光纖激光器、激光束n、導光管n、全 反鏡n、光斑大小調(diào)節(jié)裝置n、自動噴涂裝置、約束層、吸收層、工件、工件夾 具系統(tǒng)和五軸工作臺，其特征在于光斑調(diào)節(jié)裝置主要控制激光光斑的大小和形 狀，由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；自動噴涂裝置激光沖擊前能夠在
工件表面自動噴涂均勻的吸收層，在激光沖擊時在工件表面噴灑厚度為l-2mm 的水幕作為約束層；控制裝置能夠并行控制納秒激光發(fā)生器、光纖激光器、自動
噴涂裝置以及五軸工作臺，能夠控制工件表面加工點和激光光束的相對位置，即 通過控制裝置編程和激光工藝參數(shù)實現(xiàn)加工的仿生表面的形貌。 激光復合制備表層仿生結(jié)構的方法的具體步驟如下
(1) 根據(jù)仿生表面微觀形貌要求，通過控制裝置編程生成加工軌跡。
(2) 根據(jù)仿生表面的形貌、凹痕寬度和深度優(yōu)化激光光斑直徑和能量等工藝 參數(shù)。
(3) 根據(jù)上述參數(shù)利用控制裝置控制光纖激光器和五軸工作臺雕刻仿生表 面，根據(jù)仿生表面要求的形貌、凹痕寬度和深度，可進行多次加工，通 過控制裝置控制五軸工作臺控制工件移動，按區(qū)域分片加工，直到整個 工件表面加工完成。
(4) 利用控制裝置控制自動噴涂裝置在要加工的表面噴涂均勻的吸收層。
(5) 吸收層干燥以后，利用控制裝置控制納秒激光發(fā)生器、自動噴涂裝置和 五軸工作臺對雕刻表面進行激光沖擊，在激光沖擊時在工件表面噴灑厚 度為l-2mm的水幕作為約束層，通過約束層照射到雕刻表面的吸收層上 引起吸收層的汽化、電離形成沖擊波，雕刻表面在沖擊波的作用下發(fā)生 塑性變形，即達到?jīng)_擊強化效果。通過控制裝置控制五軸工作臺控制工件移動，按區(qū)域分片加工，直到整個工件表面加工完成。 本發(fā)明具有以下優(yōu)勢
(1) 激光束作為仿生表面的熱源和力源，因而它屬于非接觸式加工，不存在 刀具的磨損和消耗，工藝簡單。
(2) 采用光纖激光器雕刻仿生表面，由于可控性好、光束質(zhì)量好、脈沖重復 頻率高以及輸出功率穩(wěn)定，能夠制備高質(zhì)量的仿生微觀結(jié)構。
(3) 激光沖擊參數(shù)精確可控，重復性好，沖擊強化的效果均勻，沖擊波可雕 刻表面實現(xiàn)一次或多次強化直到滿足要求為至，沖擊后無需再處理。
(4) 激光沖擊可以消除激光雕刻微觀結(jié)構的殘余拉應力，形成深度的殘余壓
應力，并且明顯改善表面粗糙度(表面粗糙度提高l-2個等級)，同時提
高了仿生表面的硬度、晶粒細化、抗疲勞性能、抗應力腐蝕和摩擦性能。


圖1為激光復合制備表層仿生結(jié)構裝置的示意圖。
圖2為激光復合處理在奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9表面制備的網(wǎng)格狀仿生表面 結(jié)構圖。
圖3為圖3為奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9網(wǎng)格狀仿生結(jié)構激光沖擊前后表面微
硬度和殘余應力的比較圖。
圖4為光纖激光器雕刻的網(wǎng)格狀結(jié)構的三維形貌和溝槽X向和Y向的截面形
貌及表面粗糙度分布。
圖5為激光沖擊以后網(wǎng)格狀結(jié)構的三維形貌和溝槽X向和Y向的截面形貌及
表面粗糙度分布。
圖中，l.控制裝置2.納秒激光發(fā)生器3.激光束I 4.導光管I 5.全反 鏡6.光斑大小調(diào)節(jié)裝置I7.光纖激光器S.激光束II 9.導光管H 10. 光斑調(diào)節(jié)裝置II 11.自動噴涂裝置12.約束層13.吸收層14.工件夾具系 統(tǒng)15.工件16.五軸工作臺
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。 用本發(fā)明進行激光復合制備仿生結(jié)構的裝置包括依次相連的控制裝置(l)、
光路系統(tǒng)i或光路系統(tǒng)n、自動噴涂裝置(ii)、約束層(12)、吸收層(13)、工具夾具系統(tǒng)(14)、工件(15)和五軸工作臺(16)。光路系統(tǒng)I和光路系統(tǒng)II是并行結(jié)構， 其中光路系統(tǒng)I包括依次相連的納秒激光發(fā)生器(2)、激光束I (3)、導光管I (4)、 全反鏡(5)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置I (6),光路系統(tǒng)II包括依次相連光纖激光器(7)、 激光束I1(8)、導光管I1(9)、全反鏡(5)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置II(IO)，當使用光纖 激光器(7)雕刻表面時，光路系統(tǒng)I處于不工作狀態(tài)，當使用納秒激光發(fā)生器(2) 進行強化時，光路系統(tǒng)II處于不工作狀態(tài)；光纖激光器7平均輸出功率5-20W, 脈沖重復率10-lOOKHz,輸出波長1.06 mn，光束質(zhì)量好，接近衍射極限。激光 束II8可以是TEM00基橫模輸出，M2接近l，光束發(fā)散角為0. 24mrad，從而可實 現(xiàn)高速激光標刻，可以通過光斑大小調(diào)節(jié)裝置II (io)精確控制光斑的大小和形 狀，還可以通過導光管II(9)和全反鏡(5)控制激光束n(8)的方向。利用控制裝 置(1)能夠并行控制納秒激光發(fā)生器(2)、光纖激光器(7)、自動噴涂裝置(ll)以及 五軸工作臺(16)，能夠控制工件(15)表面加工點和激光束I (3)或者激光束II(8)的 相對位置，即通過控制裝置編程(l)和激光工藝參數(shù)實現(xiàn)加工的仿生表面的形貌。
納秒激光發(fā)生器(2)能量在1 50焦爾、持續(xù)時間為8 30納秒的激光脈沖， 激光束I (3)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由控制裝置(l)調(diào)節(jié)和 控制。由納秒激光發(fā)生器(2)產(chǎn)生的激光束I (3)通過光斑大小調(diào)節(jié)裝置I (6)精 確控制光斑的大小和形狀，還可以通過導光管II (4)、全反鏡(5)和五軸工作臺(16) 控制激光束n(8)和工件(15)加工表面的相對位置。在激光沖擊強化過程中，利 用控制裝置(1)控制自動噴涂裝置(11)在要加工的表面噴涂均勻的吸收層(13), 待吸收層(13)干燥以后，利用控制裝置(1)控制納秒激光發(fā)生器(2)、自動噴涂裝 置(11)和五軸工作臺(16)對雕刻表面進行激光沖擊，通過約束層(12)照射到雕刻 表面的吸收層(13)上引起吸收層(13)的汽化、電離形成沖擊波，雕刻表面在沖擊 波的作用下發(fā)生塑性變形，即達到?jīng)_擊強化效果。通過控制裝置(l)控制五軸工 作臺(16)控制工件(15)移動，按區(qū)域分片加工,直到整個工件(15)表面加工完成。
以下為激光復合制備仿生結(jié)構實例，先采用光纖激光器在奧氏體不銹鋼 0Crl8Ni9表面制備網(wǎng)格狀結(jié)構，激光器平均輸出功率5-20W，脈沖重復率 10-100KHz,輸出波長1.06um,光斑直徑為40um，光束質(zhì)量好，接近衍射極限。 然后采用激光沖擊強化處理，重復頻率為3Hz的YAG激光光斑直徑為0. 5 mm， 脈沖能量為3 J，激光波長為1064 nm，激光脈沖寬度為20 ns，對制備網(wǎng)格狀結(jié)構進行激光沖擊強化處理。
圖2為激光復合處理在奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9表面制備的網(wǎng)格狀仿生表面 結(jié)構圖，先采用光纖激光器進行激光雕刻，然后采用激光沖擊強化。其中U) 為實物SEM圖像，(b)為網(wǎng)格狀結(jié)構圖。
圖3為奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9網(wǎng)格狀仿生結(jié)構激光沖擊前后表面微硬度和 殘余應力的比較圖，其中(a)為表面微硬度比較柱狀圖，(b)為表面殘余應力比較 柱狀圖。圖中卜4為激光雕刻后[即激光沖擊前]的表面微硬度和殘余應力值，5-8 為激光沖擊后的表面微硬度和殘余應力值。從圖中可以看出激光沖擊前后微硬度 分別是239. 5 HV。,2和261. 3 HV。.2,表面殘余應力分別是48. 7 MPa和-149. 6 MPa， 微硬度明顯增加，表面殘余應力發(fā)生質(zhì)變，從拉應力轉(zhuǎn)化為壓應力。
圖4為光纖激光器雕刻的網(wǎng)格狀結(jié)構的三維形貌和溝槽X向和Y向的截面形 貌及表面粗糙度分布，溝槽底部的粗糙度在-2 ym和0.5 nm之間波動，溝槽 的寬度和深度分別為50 "m和7.6 urn;圖5為激光沖擊以后網(wǎng)格狀結(jié)構的三 維形貌和溝槽X向和Y向的截面形貌及表面粗糙度分布，激光沖擊以后溝槽底部 的粗糙度在-1 um和-0.2 ym之間波動，溝槽的寬度和深度分別為50 P m和 6.5 um。激光沖擊以后網(wǎng)格結(jié)構的溝槽底部的粗糙度明顯降低。
激光復合處理制備的網(wǎng)格狀仿生結(jié)構的表面微硬度、殘余應力和粗糙度都有 明顯改善，有助于提高仿生表面的機械性能、摩擦磨損以及抗腐蝕能力。
權利要求
1.一種激光復合制備表層仿生結(jié)構的方法，特征在于，具體步驟如下(1)根據(jù)仿生表面微觀形貌要求，通過控制裝置編程(1)生成加工軌跡；(2)根據(jù)仿生表面的形貌、凹痕寬度和深度優(yōu)化激光光斑直徑和能量等工藝參數(shù)；(3)根據(jù)上述參數(shù)利用控制裝置(1)控制光纖激光器(7)和五軸工作臺(16)雕刻仿生表面，根據(jù)仿生表面要求的形貌、凹痕寬度和深度，可進行多次加工，通過控制裝置(1)控制五軸工作臺(16)控制工件(15)移動，按區(qū)域分片加工，直到整個工件(15)表面加工完成；(4)利用控制裝置控制自動噴涂裝置在要加工的表面噴涂均勻的吸收層；(5)吸收層干燥以后，利用控制裝置(1)控制納秒激光發(fā)生器(2)、自動噴涂裝置(11)和五軸工作臺(16)對雕刻表面進行激光沖擊，在激光沖擊時在工件(15)表面噴灑約束層(12)，通過約束層(12)照射到雕刻表面的吸收層(13)上引起吸收層(13)的汽化、電離形成沖擊波，雕刻表面在沖擊波的作用下發(fā)生塑性變形，即達到?jīng)_擊強化效果；通過控制裝置(1)控制五軸工作臺(16)控制工件(15)移動，按區(qū)域分片加工，直到整個工件(15)表面加工完成。
2. 根據(jù)權利要求l所述的一種激光復合制備表層仿生結(jié)構的方法，特征在于，所述自動噴涂 裝置(11)激光沖擊前能夠在工件表面自動噴涂均勻的吸收層(13)，在激光沖擊時在工件表 面噴灑厚度為1-2 mm的水幕作為約束層(12)。
3. —種實施權利要求1所述的一種激光復合制備表層仿生結(jié)構的方法的裝置，特征在于，包 括依次相連的控制裝置(l)、光路系統(tǒng)I或光路系統(tǒng)II、自動噴涂裝置(ll)、約束層(12)、 吸收層(13)、工具夾具系統(tǒng)(14)、工件(15)和五軸工作臺(16);光路系統(tǒng)I和光路系統(tǒng)II是 并行結(jié)構，其中光路系統(tǒng)I包括依次相連的納秒激光發(fā)生器(2)、激光束I(3)、導光管I (4)、全反鏡(5)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置I (6)，光路系統(tǒng)II包括依次相連光纖激光器(7)、激光束n(s)、導光管n(9)、全反衛(wèi)5)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置n(io)，當使用光纖激光器(7)雕刻表面時，光路系統(tǒng)I處于不工作狀態(tài)，當使用納秒激光發(fā)生器(2)進行強化時，光路系統(tǒng) II處于不工作狀態(tài)；控制裝置(1)并行控制納秒激光發(fā)生器(2)、光纖激光器(7)、自動噴涂裝置(11)以及五軸工作臺(16)，控制工件(15)表面加工點和激光束I (3)或者激光束II(8)的相對位置，即通過控制裝置編程(l)和激光工藝參數(shù)實現(xiàn)加工的仿生表面的形貌。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種激光復合制備表層仿生結(jié)構的裝置，特征在于，所述光斑大小調(diào)節(jié)裝置i (6)和光斑大小調(diào)節(jié)裝置n(io)由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光加工領域，特指一種基于激光雕刻和激光沖擊的力學效應復合制備表層仿生結(jié)構的方法和裝置，特別適用于仿生表面和摩擦副表面的加工。本發(fā)明的特征在于首先采用激光雕刻技術在工件表面制備具有一定密度(間距)、寬度、深度、角度、形狀的規(guī)則微觀幾何形貌，然后激光沖擊強化處理微觀幾何形貌區(qū)域，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的、與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的微觀結(jié)構。實施該方法的裝置包括依次相連的控制裝置、納秒激光發(fā)生器、激光束I、導光管I、全反鏡I、光斑調(diào)節(jié)裝置I、光纖激光器、激光束II、導光管II、全反鏡II、光斑大小調(diào)節(jié)裝置II、自動噴涂裝置、約束層、吸收層、工件、工件夾具系統(tǒng)和五軸工作臺。
文檔編號B23K26/00GK101590569SQ20091003345
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權日2009年6月12日
發(fā)明者馮愛新, 磊 張, 張朝陽, 張永康, 楊超君, 羅開玉, 魯金忠 申請人:江蘇大學