專利名稱：強(qiáng)激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納米材料制備和激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，特指采用納秒脈沖激光加載材料表面，實(shí)現(xiàn)材料表面周期微納米化的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
自從1980s德國學(xué)者GleiterH提出并人工合成納米晶體以來，由于納米材料具有獨(dú)特的力學(xué)和物化性能(高強(qiáng)韌性、高比熱、高熱膨脹系數(shù)和獨(dú)特的電磁性能等)，20多年來，納米材料的制備和研究一直是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。納米材料制備方法可分為兩大類塊體納米材料制備和表面納米材料制備。
塊體納米材料制備法可分為(1)強(qiáng)烈塑性變形法。包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓法、高壓扭轉(zhuǎn)法、多向鍛造法和反復(fù)冷軋法等，這些方法制備工藝復(fù)雜、成本高、材料的外形尺寸有限且材料內(nèi)部存在孔隙等缺陷。(2)非晶晶化法。這種方法通過控制非晶態(tài)固體的晶化動(dòng)力學(xué)過程，使晶化過程的產(chǎn)物為納米尺寸的晶粒，通常材料等溫晶化，控制退火工藝，此方法必須先得到非晶材料，顯然此法不適用于工程應(yīng)用材料。
由于技術(shù)和成本的限制，目前為止，還難以生產(chǎn)(合成)出具有工程應(yīng)用尺度的塊體微納米材料。眾所周知，工程材料的破壞起源于材料表面，材料表面的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況往往決定工程零件的服役性能和壽命。由于微納米材料優(yōu)異的力學(xué)和物化性能，如果將微納米技術(shù)和材料表面改性技術(shù)相結(jié)合，則不僅能解決制備塊體微納米工程材料帶來的成本和技術(shù)難題，還能大幅度提高材料的使用性能。目前材料表面納米層的制備方法主要有(1)表面涂層和沉積法。該方法是將先制好的納米顆粒再固結(jié)在材料表面，象PVD、CVD、電鍍和濺射沉積等常規(guī)表面處理方法都可以實(shí)現(xiàn)材料表面納米化。此方法較為成熟，形成的納米層均勻且厚度易于控制，但表面層和基體不是梯度式均勻過渡，表層和基體的結(jié)合力難以保證。(2)材料表面的機(jī)械研磨法。包括普通的材料表面機(jī)械研磨法和超聲噴丸法等。這些方法通過長時(shí)間對(duì)材料表面進(jìn)行形變加載獲得表面超細(xì)晶層，克服了表面涂層和沉積法對(duì)熱、電、化學(xué)和處理環(huán)境的特殊要求，但形成的表面層粗糙度比較高，材料在使用前要對(duì)處理區(qū)進(jìn)行光潔度處理(研磨、拋光等處理)，從而弱化了表面超細(xì)晶層的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的采用納秒脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化，是基于納秒脈沖激光在材料表面產(chǎn)生的超高應(yīng)變率和大于材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度應(yīng)力波的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。與普通的機(jī)械研磨法和超聲噴丸法相比，激光誘導(dǎo)合成的周期性微納米晶層光亮平整，少無疲勞源，且一次加載即可實(shí)現(xiàn)材料表面微納米化。
本發(fā)明所述的方法為先將金屬靶材研磨拋光，把86-1專用黑色涂料平鋪于靶材表面，黑色涂料厚度控制在30-40μm。將其放置一段時(shí)間使靶材表面的黑色涂料自然風(fēng)干，隨后在干化的黑色涂料表面滴加硅油，在黑色涂料和硅油上壓附光學(xué)玻璃，通過壓板將涂有黑色涂料并滴加了硅油的金屬靶材和光學(xué)玻璃固緊在專用靶材裝夾器上。開啟納秒脈沖激光器，調(diào)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng)凸透鏡聚焦到金屬靶材表面，然后對(duì)納秒脈沖激光進(jìn)行單次發(fā)射操作從而實(shí)現(xiàn)金屬靶材的單脈沖激光加載，最終使得金屬靶材表面的晶粒微納米化。
激光誘導(dǎo)峰值壓力大小與光斑直徑、激光脈寬及激光單脈沖能量等參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)可通過對(duì)納秒脈沖激光器進(jìn)行調(diào)節(jié)來確定，具體要求是要保證激光誘導(dǎo)峰值壓力約兩倍于金屬靶材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置由激光加載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，其中激光加載系統(tǒng)由納秒脈沖激光器和凸透鏡組成，由納秒脈沖激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過凸透鏡聚焦后直接進(jìn)入靶材裝夾系統(tǒng)，激光光束采用納秒脈沖激光器的二倍頻輸出(波長532nm)或者基波輸出(波長1064nm)；靶材裝夾系統(tǒng)由壓板、靶材裝夾器、光學(xué)玻璃、硅油層、黑色涂料、金屬靶材組成，通過將壓板旋入靶材裝夾器的凹腔，從而將表面涂有黑色涂料、滴有硅油、并壓附光學(xué)玻璃的金屬靶材固緊于靶材裝夾器的凹腔內(nèi)。
相比于其他材料表面微納米化技術(shù)，比如機(jī)械研磨法和超聲噴丸法，激光誘導(dǎo)法具有如下幾個(gè)特點(diǎn)處理效率高。激光誘導(dǎo)法只需單次加載即可實(shí)現(xiàn)材料表面微納米化，而其他方法則需要反復(fù)多次的機(jī)械表面處理。
晶粒細(xì)化層均勻平整。用黑色涂料為約束層，激光誘導(dǎo)峰值壓力約兩倍于靶材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的處理方法，垂直于處理區(qū)的應(yīng)變量幾乎為零，晶粒細(xì)化區(qū)光滑平整，晶粒大小在0.5μm左右，且均勻分布(呈現(xiàn)周期性)，處理區(qū)無激光燒蝕痕跡。
可達(dá)性好，適用范圍廣。隨著透明柔性約束層和光纖技術(shù)的發(fā)展，激光誘導(dǎo)晶粒超細(xì)化法可望用于處理常規(guī)方法無法到達(dá)的諸如零部件的盲孔、內(nèi)腔等部位，實(shí)現(xiàn)局部材料表面微納米化。


圖1脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的裝置示意2脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的靶材加載示意3脈沖激光誘導(dǎo)奧氏體不銹鋼表面周期微納米化的典型形貌1納秒脈沖激光器，2激光光束，3凸透鏡，4壓板，5靶材裝夾器，6 K9光學(xué)玻璃，7硅油，8黑色涂料，9金屬靶材。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的裝置示意圖，對(duì)其細(xì)節(jié)和實(shí)施情況說明如下脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的裝置由激光加載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)依次連接組成。激光加載系統(tǒng)由納秒脈沖激光器1和凸透鏡3組成，由納秒脈沖激光器1發(fā)出的激光光束2經(jīng)過凸透鏡聚焦后直接進(jìn)入靶材裝夾系統(tǒng)。靶材裝夾系統(tǒng)由壓板4、靶材裝夾器5、K9光學(xué)玻璃6、硅油7、黑色涂料8、金屬靶材9組成，壓板4帶有螺旋結(jié)構(gòu)，可旋入靶材裝夾器5的凹腔，從而可以將表面涂有黑色涂料8、滴有硅油7、并壓附K9光學(xué)玻璃6的金屬靶材9固緊于靶材裝夾器5的凹腔內(nèi)。
脈沖激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的靶材加載如圖2所示。在金屬靶材9的表面覆蓋一層86-1黑色涂料8作為犧牲層，犧牲層的作用有兩個(gè)一是形成高壓等離子體產(chǎn)生沖擊波；二是保護(hù)靶材表面，使之免受激光光束的熱損傷。滴在黑色涂料表面的硅油7不與黑色涂料互溶，且易于汽化，能增加等離子體噴發(fā)形成的激光誘導(dǎo)峰值壓力。犧牲層上面加以對(duì)激光不吸收的K9光學(xué)玻璃6，當(dāng)經(jīng)聚焦后的激光光束2穿過透明約束層后，犧牲層因吸收激光能量而被汽化，繼而形成等離子體，由于約束層的存在，等離子體的壓力達(dá)到GPa級(jí)。高壓等離子體向外噴射并在金屬靶材內(nèi)部形成沖擊波，從而誘發(fā)材料表層的塑性形變和微納米化。實(shí)驗(yàn)表明，86-1黑色涂料犧牲層厚度控制在約30-40μm范圍、激光誘導(dǎo)峰值壓力約兩倍于靶材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，可獲得均勻、平整、無燒蝕痕跡的晶粒細(xì)化層。
圖3是實(shí)驗(yàn)得到的脈沖激光誘導(dǎo)奧氏體不銹鋼表面周期微納米化的典型形貌。其中圖3(a)是奧氏體不銹鋼原始組織，平均晶粒大小30μm左右；圖3(b)是研磨拋光處理后的表面形貌，可以看出，處理區(qū)、過渡區(qū)和未處理區(qū)之間平整度幾乎沒有變化；圖3(c)、(d)是激光處理后分別放大1000倍和10000倍的掃描電鏡圖，微細(xì)晶的大小和分布均勻，尺寸0.5-1.0μm。
激光誘導(dǎo)參數(shù)按如下公式及說明來確定(1)激光功率密度I的計(jì)算I=4α·Eτ·π·D2]]>其中α為激光吸收系數(shù)，通常取0.8，E為脈沖激光能量，τ為激光脈寬，D為激光束光斑直徑。
(2)激光誘導(dǎo)峰值壓力P的計(jì)算P=0.01(β2β+3)0.5Z0.5I0.5]]>其中β為激光材料相互作用的物理系數(shù)，通常取0.1，Z為約束層與靶材的聲阻抗，I為激光功率密度。
(3)金屬靶材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σ的計(jì)算由ϵ·=η(σσ0-1)x]]>推知，σ=σ0[1+(ϵ·η)1x]]]>其中σ0為金屬靶材靜態(tài)屈服強(qiáng)度， 為激光誘導(dǎo)材料形變的應(yīng)變率，通常取106/S，η和χ為與材料處理有關(guān)的系數(shù)。
激光誘導(dǎo)峰值壓力P的大小由上述公式中的E、τ、D和Z確定。激光誘導(dǎo)的峰值壓力P為靶材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σ的兩倍左右時(shí)，將取得較好的處理效果。峰值壓力太小不能誘導(dǎo)表面晶粒細(xì)化，太大則會(huì)形成粗糙表面。
權(quán)利要求
1.強(qiáng)激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的方法，其特征是先將金屬靶材研磨拋光，把86-1專用黑色涂料平鋪于靶材表面，黑色涂料厚度控制在30-40μm，將其放置一段時(shí)間使靶材表面的黑色涂料自然風(fēng)干，隨后在干化的黑色涂料表面滴加硅油，在黑色涂料和硅油上壓附光學(xué)玻璃，通過壓板將涂有黑色涂料并滴加了硅油的金屬靶材和光學(xué)玻璃固緊在專用靶材裝夾器上；開啟納秒脈沖激光器，調(diào)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng)凸透鏡聚焦到金屬靶材表面，然后對(duì)納秒脈沖激光進(jìn)行單次發(fā)射操作從而實(shí)現(xiàn)金屬靶材的單脈沖激光加載，最終使得金屬靶材表面的晶粒微納米化。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的方法，其特征是激光誘導(dǎo)峰值壓力約兩倍于金屬靶材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)激光誘導(dǎo)材料表面周期微納米化的方法，其特征是激光光束采用納秒脈沖激光器的二倍頻輸出即波長532nm或者基波輸出即長1064nm。
4.實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于由激光加載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，激光加載系統(tǒng)由納秒脈沖激光器(1)和凸透鏡(3)組成，由納秒脈沖激光器(1)發(fā)出的激光光束(2)經(jīng)過凸透鏡聚焦后直接進(jìn)入靶材裝夾系統(tǒng)；靶材裝夾系統(tǒng)由壓板(4)、靶材裝夾器(5)、光學(xué)玻璃(6)、硅油(7)、黑色涂料(8)、金屬靶材(9)組成，由壓板(4)將表面涂有黑色涂料(8)、滴有硅油(7)、并壓附光學(xué)玻璃(6)的金屬靶材(9)固緊于靶材裝夾器(5)的凹腔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納米材料制備和激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，加工時(shí)先將金屬靶材研磨拋光，把86－1專用黑色涂料平鋪于靶材表面，黑色涂料厚度控制在30－40μm，保持黑色涂料自然風(fēng)干，隨后在干化的黑色涂料表面滴加硅油，在硅油上壓附光學(xué)玻璃，通過壓板將涂有黑色涂料并滴加了硅油的金屬靶材和光學(xué)玻璃固緊在專用靶材裝夾器上。開啟納秒脈沖激光器，調(diào)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng)凸透鏡聚焦到金屬靶材表面，然后對(duì)納秒脈沖激光進(jìn)行單次發(fā)射操作從而實(shí)現(xiàn)金屬靶材的單脈沖激光加載，最終使得金屬靶材表面的晶粒微納米化。本發(fā)明處理效率高，可達(dá)性好，適用范圍廣，處理得到的晶層光亮平整，少無疲勞源，且一次加載即可實(shí)現(xiàn)材料表面微納米化。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1944687SQ20061004157
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者周明, 朱向群, 李保家, 戴起勛, 蔡蘭 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)