專利名稱：一種仿生表面的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械工程領(lǐng)域金屬表面的處理方法。
技術(shù)背景
通過(guò)改變金屬表面形貌來(lái)改變其性能，從而延長(zhǎng)零件的使用壽命一直以來(lái)就是人們研究的對(duì)象。
傳統(tǒng)采用刮研加工處理的方法，使刮研加工處理后的金屬表面具有某種特殊的表面形貌，即仿生表面。該形貌在泛油的情況下可以減小金屬表面摩擦力，達(dá)到減阻的效果。 在刮研過(guò)程中要求較高，要求刀刃必須保證平整、光潔和鋒利，而且每一個(gè)表面往往需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)刮研，其刮出的表面也具有隨機(jī)特征。由于是手工操作，這種方法對(duì)金屬表面形貌的控制精度不高，處理效率較低。
后來(lái)人們又采用激光絎磨的方法在金屬表面形成各種形狀的特殊相貌，起到減小金屬表面摩擦力的作用，即到達(dá)減阻效果，這種方法也可以提高金屬表面的耐磨性和抗擦傷性。但由于這種方法采用激光直接作用于金屬表面，所以會(huì)在金屬表面產(chǎn)生熱效應(yīng)，這樣會(huì)破壞金屬表面的金相組織并形成有害的殘余拉應(yīng)力。
也有采用激光毛化的方法作用于軋輥表面，即在已加工的金屬表面經(jīng)激光掃描改變表面形貌，提高其潤(rùn)滑效果、抗磨損能力及使用壽命。但該方法也是采用激光直接作用于金屬表面，因此會(huì)破壞金屬表面組織并形成有害殘余拉應(yīng)力。發(fā)明內(nèi)容
本專利提供一種激光沖擊的方法來(lái)制備仿生減摩表面。
用激光沖擊成形在金屬表面制備特殊的仿生減摩表面形貌的方法克服了其他方法加工效率低、精度控制不夠及會(huì)在金屬表面產(chǎn)生熱效應(yīng)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明主要是采用大功率激光器運(yùn)用激光沖擊的方法來(lái)制備特殊的表面形貌，形成仿生表面。采用這種方法制備的仿生表面在泛油的情況下可以儲(chǔ)油，也可以存儲(chǔ)一定量的微氣泡，使氣體參與潤(rùn)滑，從而可以減小表面摩擦力，達(dá)到減摩的效果；并在制備減摩表面的同時(shí)，可對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化，有效提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕的能力。
本發(fā)明的操作步驟是首先把要進(jìn)行處理的金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面盡量光整；然后根據(jù)所需要的特殊表面形貌來(lái)設(shè)置大功率激光器的波長(zhǎng)、脈沖寬度、脈沖能量、 光斑半徑參數(shù)的大?。辉俑鶕?jù)特殊表面形貌的分布情況對(duì)數(shù)控臺(tái)的運(yùn)行路徑進(jìn)行編程；并在待沖擊金屬表面貼上吸收層，在吸收層之外附上約束層；最后將待沖擊金屬用夾具固定在數(shù)控工作臺(tái)上，按照設(shè)置好的參數(shù)控制大功率激光器和數(shù)控工作臺(tái)對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊得到所需的金屬特殊表面形貌；沖擊完成后，去除附在金屬表面上的吸收層和約束層，并對(duì)金屬表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，就得到了我們所需要的特殊表面形貌?br> 本方法可以通過(guò)調(diào)節(jié)大功率激光器的參數(shù)、數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)行路徑得到工作情況所需的各種表面形貌，激光沖擊所形成的凹坑的分布、疊加、大小、深淺、方向均可進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2和圖3所示的疊加式(魚鱗狀)仿生表面形貌。其中，激光波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍為200-1100nm、激光脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍為0. OOl-lOOns、激光光斑半徑的調(diào)節(jié)范圍為 0.01-30mm、激光脈沖能量大小的調(diào)節(jié)范圍為0-100J。激光沖擊在金屬表面所形成的凹坑的半徑大小的調(diào)節(jié)范圍為0-30mm，深淺大小調(diào)節(jié)范圍為0_2mm。
本發(fā)明的有益效果是1、用激光沖擊的方法可以方便形成各種特殊形態(tài)的表面形貌，特殊表面形貌在泛油的情況下可以儲(chǔ)油，也可以存儲(chǔ)一定量的微氣泡，使氣體參與潤(rùn)滑，從而可以減小表面摩擦力，形成仿生減摩表面；2、解決了其他方法所存在的加工效率低、精度控制不夠及會(huì)在金屬表面產(chǎn)生熱效應(yīng)的缺陷；3、在形成仿生減摩表面過(guò)程中，激光沖擊也對(duì)金屬表面產(chǎn)生了強(qiáng)化效果，提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕能力；4、用此方法來(lái)制備仿生表面具有加工效率高、加工路徑可控性好、表面凹坑形貌易于控制的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為以鋁箔為吸收層，水為約束層的激光沖擊過(guò)程示意圖。
圖2為金屬表面激光沖擊成形產(chǎn)生的疊加式(魚鱗狀)仿生表面形貌示意圖。
圖3為金屬表面激光沖擊成形產(chǎn)生的疊加式(魚鱗狀)仿生表面形貌。
圖中標(biāo)記1、激光束，2、水，3、鋁箔，4、等離子體，5、金屬，6、沖擊波。
具體實(shí)施方式
以下，以激光沖擊形成疊加式(魚鱗狀)仿生金屬表面為實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
首先把要進(jìn)行處理的金屬5表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面盡量光整。然后根據(jù)所需要的特殊表面形貌來(lái)設(shè)置大功率激光器的波長(zhǎng)、脈沖寬度、脈沖能量、光斑半徑參數(shù)的大小。本實(shí)例中可設(shè)置波長(zhǎng)為1. OM μ m，脈沖寬度為20. 1ns，脈沖能量為36J，再根據(jù)特殊表面形貌的分布情況對(duì)數(shù)控臺(tái)的運(yùn)行路徑進(jìn)行編程；并在待沖擊金屬5表面貼上鋁箔3，在鋁箔之外附上約束層。本實(shí)例中采用水2作為約束層。最后將待沖擊金屬5用夾具固定在數(shù)控工作臺(tái)上，按照設(shè)置好的參數(shù)控制大功率激光器發(fā)射激光束1對(duì)金屬表面進(jìn)行激光沖擊。在沖擊時(shí)使水2連續(xù)流過(guò)鋁箔3表面，起到約束層的作用。如圖1所示，激光誘導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生沖擊波6，沖擊波產(chǎn)生后，等離子4體迅速膨脹，但其被限制在金屬5表面和約束層之間， 從而產(chǎn)生一個(gè)向金屬5內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊壓縮波，該沖擊壓縮波就會(huì)對(duì)金屬5表面產(chǎn)生強(qiáng)化成形作用，從而得到我們所需的金屬5表面形貌。同時(shí)，激光沖擊會(huì)使金屬5表面產(chǎn)生微小塑性拉伸變形，沖擊后材料彈性恢復(fù)就會(huì)在金屬5表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，從而對(duì)金屬5表面起到強(qiáng)化效果。
在沖擊過(guò)程中，如圖2所示，按圖中激光沖擊方向一列一列進(jìn)行沖擊，每列激光沖擊方向相同，即先按該方向沖擊第A列凹坑形貌，再按該方向沖擊第B列凹坑形貌，直至所有要處理的金屬表面均被凹坑形貌所覆蓋。后沖擊形成的凹坑形貌會(huì)覆蓋先沖擊形成的凹坑形貌，即疊加成類似魚鱗狀的仿生表面。此過(guò)程通過(guò)編程以控制數(shù)控工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。沖擊完成后，去除附在金屬表面上的鋁箔3，并對(duì)金屬表面進(jìn)行適當(dāng)后處理。
運(yùn)用該方法形成的仿生金屬表面的應(yīng)用范圍廣泛，比如可以用于氣缸套內(nèi)表面。 將氣缸套內(nèi)表面按照上述操作方法使其形成特殊仿生表面。在工作狀態(tài)時(shí)，氣缸套內(nèi)表面會(huì)處于泛油狀態(tài)，這時(shí)其內(nèi)表面的特殊凹坑形貌就會(huì)儲(chǔ)存一定的潤(rùn)滑油及一定量的微氣泡，這樣在氣缸套與活塞環(huán)摩擦?xí)r，處于氣體摩擦或流體摩擦狀態(tài)，從而降低了摩擦系數(shù)和兩者之間摩擦力，也減小了摩擦所消耗的能量，提高了能量的利用率。同時(shí)由于激光沖擊強(qiáng)化的作用提高了氣缸套的耐磨性、抗腐蝕性以及抗疲勞的能力，從而延長(zhǎng)了氣缸套的使用壽命ο
權(quán)利要求
1.一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，采用< 100J的大功率激光器運(yùn)用激光沖擊的方法來(lái)制備仿生減摩表面形貌，其步驟在于A)把要進(jìn)行處理的金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面光整；B)根據(jù)所需要的仿生減摩表面形貌和材料的強(qiáng)化要求來(lái)設(shè)置<100J的大功率激光器的波長(zhǎng)范圍為200-1100nm、脈沖寬度范圍為0. OOl-lOOns、脈沖能量范圍為0-100J、光斑半徑參數(shù)的大小范圍為0. 01-30mm ；C)根據(jù)仿生減摩表面形貌的分布情況對(duì)數(shù)控臺(tái)的運(yùn)行路徑進(jìn)行編程；D)在待沖擊金屬表面貼上吸收層，并在吸收層之外附上約束層；E)將待沖擊金屬用夾具固定在數(shù)控工作臺(tái)上，按照設(shè)置好的參數(shù)控制<100J大功率激光器和數(shù)控工作臺(tái)對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊得到所需的金屬仿生減摩表面形貌；F)沖擊完成后，去除附在金屬表面上的吸收層和約束層，并對(duì)金屬表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，步驟C)中運(yùn)行路徑為激光一列一列進(jìn)行沖擊，每列激光沖擊方向相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，預(yù)處理和后處理方法包括拋光、磨削、光整加工方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，根據(jù)材料和工況的要求通過(guò)調(diào)節(jié)< 100J大功率激光器參數(shù)和數(shù)控工作臺(tái)運(yùn)行路徑對(duì)激光沖擊所形成的凹坑的分布、疊加、大小、深淺、方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，凹坑的半徑大小的調(diào)節(jié)范圍為0-30mm，深淺大小調(diào)節(jié)范圍為0-lmm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，吸收層使用鋁箔、黑漆或黑膠帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種仿生減摩表面的制備方法，其特征在于，約束層使用水、K9光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠或合成樹脂。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光沖擊的方法來(lái)制備仿生表面。把進(jìn)行過(guò)預(yù)處理的金屬用夾具固定在數(shù)控工作臺(tái)上，再根據(jù)所需要的特殊金屬表面形貌來(lái)調(diào)節(jié)大功率激光器的波長(zhǎng)、脈沖寬度、脈沖能量、光斑半徑參數(shù)的大小，并對(duì)數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)行路徑進(jìn)行編程，使用調(diào)節(jié)好的裝置對(duì)金屬表面進(jìn)行激光沖擊就可以形成各種特殊形態(tài)的表面形貌。采用這種方法制備的特殊表面形貌在泛油的情況下可以儲(chǔ)油，也可以存儲(chǔ)一定量的微氣泡，使氣體參與潤(rùn)滑,從而可以減小表面摩擦力，形成減摩表面；并在制備特殊表面形貌的同時(shí)，可對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化，有效提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕的效果。本方法具有加工效率高、可控性好、制備方便的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/42GK102513697SQ20111044869
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者姜文帆, 姜銀方, 岳陸游, 張永康, 郭振寧, 黃宇, 黃立偉, 龍昆 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)