基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究

目的 解决纳秒激光所制备的硬质合金表面微织构尺寸不可控且质量较差的问题.方法 提出了离子束刻蚀与纳秒激光复合加工技术.首次采用离子束辅助激光加工在WC/Co硬质合金表面制备凹坑型微织构,研究了激光扫描速度、重复频率、脉冲宽度和刻蚀时间4种不同加工参数对微凹坑表面形貌及结构尺寸的影响,并初步预测和建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型.结果 凹坑型微织构边缘熔融物堆积量随激光重复频率的增加而增加,与扫描速度和脉冲宽度成反比,其中激光重复频率的影响最大.制备的微凹坑直径和深度可以通过改变激光重复频率和刻蚀时间来调节,使用纳秒激光以20、25、30、35 kHz重复频率加工的微凹坑经离子束刻蚀150 min后,边缘的不规则凸起高度分别由1.112、1.675、2.951、3.235μm降低至0.222、0.689、0.976、1.364μm,且刻蚀速率与激光重复频率成正比.离子束刻蚀150 min后,抛光硬质合金表面粗糙度由0.022μm增加至0.079μm,而激光织构化硬质合金表面粗糙度随刻蚀时间的增加均有所降低.结论 建立了基于离子束辅助激光的表面微织构轮廓演变模型,实现了硬质合金表面微织构的高质量可控制备.     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

基于激光加工和自组装技术改性处理铝镁合金的表面润湿性

为制备具有更高机械强度和更长使用寿命的超疏水金属表面,利用激光加工技术在铝镁合金表面构建出圆台凸起、圆台凹坑和正四棱台3种微结构。利用自组装技术在具有以上3种微结构的铝镁合金表面沉积自组装分子膜(SAMs),采用扫描电镜、形貌分析仪和接触角测量仪对成膜后的铝镁合金表面进行形貌和接触角的表征与测量。结果表明:沉积疏水的FDTS和OTS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而减小,随微结构高度的增大而增大,最大接触角达156°,形成超疏水铝镁合金表面;沉积亲水的APS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而增大,随微结构高度的增大而减小,最小接触角接近0°,形成超亲水铝镁合金表面;激光加工和自组装技术可以大幅度改变铝镁合金的表面润湿性。     

Ni60/WC涂层表面圆凹坑皮秒激光加工关键参数研究

目的 优化激光路径填充方式以减少皮秒加工圆凹坑底部的堆积现象,并探究基于该激光路径填充方式的皮秒激光关键参数对Ni60/WC涂层表面圆形凹坑形貌参数的影响规律。方法 采用搭建的紫外皮秒激光微加工平台在Ni60/WC涂层表面加工预先规划的直径为230μm的圆凹坑,通过白光干涉仪测试加工所得圆凹坑的整体三维形貌对圆凹坑底部形貌进行表征。采用同心圆网格复合激光路径填充方式对圆凹坑底部堆积现象进行优化,并通过单因素法分析该路径下皮秒激光关键参数,即加工功率、扫描次数、扫描速度对圆形凹坑深度、直径和圆度系数的影响规律。结果 通过优化的同心圆网格复合激光路径填充方式加工所得圆凹坑材料去除体积为7.59×10⁶μm³,轮廓算术平均高度为21.37μm,对比原始的网格激光路径填充方式,加工的圆凹坑底部无明显堆积;基于此激光路径填充方式,在测试工艺参数范围内,圆凹坑深度、直径和圆度系数随激光功率的增大呈二次函数增大;随着扫描速度的增大,圆凹坑深度、直径呈线性减小,圆度系数呈线性增大;圆凹坑深度、直径和圆度系数随扫描次数的增加均呈线性增大。结论 同心圆网...     

超疏水船用铝合金表面微结构对耐海水腐蚀性能的影响

为提高船用铝合金的耐海水腐蚀性能,利用激光在5083船用铝合金表面分别刻蚀点阵、直线、网格3种微结构,采用聚合物基纳米复合材料构建微纳双层结构,制备超疏水船用铝合金表面。采用光学显微镜和扫描电子显微镜表征其形貌;用接触角测量仪测量接触角和滚动角;采用电化学分析方法测试在海水环境中的耐腐蚀性能。结果表明,具有微纳双层结构的超疏水表面符合Cassie状态,且随着微结构间距的增大,接触角减小,滚动角增大,其耐海水腐蚀性能显著增强。间距为100μm的网格微结构表面具有最大的接触角157.8°和最小的滚动角0.57°,可将铝合金的腐蚀阻抗提高2个数量级。     

激光表面纹理加工对Ti6Al4V空蚀性能的影响

采用激光表面改性的方法对Ti6Al4V合金进行纹理加工。采用表面粗糙度测试仪、接触角测量仪和X射线衍射仪对激光纹理加工试样的表面特性进行表征,采用磁致伸缩超声振动仪对试样的抗空蚀特性进行测试,采用光学显微镜和扫描电子显微镜对试样空蚀前、后的表面形貌进行观测。结果表明:经激光表面纹理加工,试样的硬度由337HV提高到550HV,水接触角增大10°;激光纹理加工试样的抗空蚀特性有所改善,特别是对于具有较小间距网格形状的表面纹理试样,其表面空蚀面积的比例小于抛光试样的1/10;激光纹理加工试样的抗空蚀特性的改善与硬度梯度效应、缓冲空泡运动和限域作用等效应相关。     

新型超高强钛合金TB17铣削加工表面完整性试验研究

采用硬质合金刀具对TB17钛合金进行铣削加工试验,研究了刀具前角、后角和螺旋角对钛合金加工表面完整性的影响。结果表明:在试验参数范围内,TB17钛合金铣削加工表面均呈现为残余压应力;前角增大,表面粗糙度和表面显微硬度增加,表面残余压应力先减小后增加;表面粗糙度和表面残余压应力均随着后角的增大而减小;螺旋角增大,表面粗糙度和表面残余压应力均呈现出先减小后增加的趋势;TB17钛合金铣削加工表面形貌由均匀间隔突起的棱脊与深浅不一的沟槽组成,刀具几何参数和刀具磨损状态会对加工表面形貌产生显著的影响。     

微织构刀具DEFORM-3D切削性能仿真分析及实验研究

运用DEFORM-3D仿真软件对YG8硬质合金微织构刀具的切削性能进行仿真分析,研究了YG8硬质合金刀具在沟槽微织构、凹坑微织构和无微织构3种表面微织构下的切削温度和切削应力.利用激光加工技术对YG8硬质合金刀具表面进行沟槽微织构的加工,运用该刀具对铝合金进行切削实验,分析微织构对刀具切削性能的影响.结果表明:微织构刀具产生的切削热更少,与切屑间的摩擦力更低.在一定的润滑条件下,微织构刀具具有更好的切削性能.     

乙醇辅助激光一步法制备硬质合金疏水表面

目的 在YT15硬质合金刀片上制备出具有疏水特性的织构表面.方法 在静态的无水乙醇环境中,利用光纤激光打标机,在YT15硬质合金刀片上制备织构,制备好的织构表面不做任何改性处理.根据织构表面形貌、织构表面化学成分,分析加工环境及激光参数对织构表面润湿性的影响.结果 无水乙醇辅助激光制备的织构表面表现出了疏水特性,疏水角的大小受激光参数影响.激光功率增大,织构表面接触角随之增大,功率为12～20 W时,接触角为112.5°～126.9°;激光扫描速度增加,织构表面接触角随之减小,扫描速度为0.5～2.5 mm/s时,接触角为118.3°～125.7°.当加工次数为1,激光频率为200 kHz,扫描速度为1 mm/s,功率为20 W时,织构表面的接触角最大,为126.9°.结论 无水乙醇环境中,采用激光技术在YT15刀片上制备出了新型的环形凸起微纳织构.与无织构表面相比,织构表面C原子明显增加,表现出了疏水特性.织构表面接触角的大小与织构形貌有关,环形凸起织构密度越大,接触角越大.环形凸起织构的密度受激光参数影响.织构形貌及表面化学成分决定了表面的润湿特性.     

微织构刀具DEFORM-3D切削性能仿真分析及实验研究（英文）

运用DEFORM-3D仿真软件对YG8硬质合金微织构刀具的切削性能进行仿真分析,研究了YG8硬质合金刀具在沟槽微织构、凹坑微织构和无微织构3种表面微织构下的切削温度和切削应力。利用激光加工技术对YG8硬质合金刀具表面进行沟槽微织构的加工,运用该刀具对铝合金进行切削实验,分析微织构对刀具切削性能的影响。结果表明:微织构刀具产生的切削热更少,与切屑间的摩擦力更低。在一定的润滑条件下,微织构刀具具有更好的切削性能。     

酸洗冷轧过程中轧件表面形貌演变规律研究

利用四辊轧机对酸洗后带钢进行了冷轧实验, 采用扫描电子显微镜对试样冷轧前后的表面形貌进行了跟踪观察, 采用TR200型粗糙度测量仪测试了轧制前后试样的表面粗糙度轮廓曲线, 研究了不同轧辊表面状态和摩擦条件下冷轧带钢表面形貌的演变规律。结果表明: 轧件表面形貌主要取决于表面凹坑和辊痕的尺寸, 随轧辊表面粗糙度的减小和轧制道次的增加, 轧件与轧辊表面的实际接触面积增加, 轧件表面凹坑和辊痕的尺寸均减小, 轧件表面光洁度提高; 当轧辊辊面粗糙度相同时, 采用油润滑轧制的试样表面光洁度比干摩擦轧制的试样表面光洁度高; 冷轧前几个道次轧辊的表面状态对最终成品带钢的表面形貌同样起着重要作用。     

纳秒激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验研究

目的 研究具有大接触角和低表面能的微纳疏水表面,以减少结冰引起的空气碰撞.方法 采用纳秒脉冲激光在TC4表面构建微结构,利用扫描电镜和EDS对TC4表面形貌和元素成分进行观测,应用接触角测量仪分析表面润湿性和表面能,搭建低温结冰结霜实验台,测试表面的抑冰抑霜性能.结果 随着激光功率的增大,TC4合金表面微米颗粒的尺寸增大;接触角逐渐减小,且均高于未加工表面;接触角滞后逐渐增加,且均低于未加工表面;表面自由能逐渐增加,且均低于未处理表面;粘附功逐渐增加,且都小于未处理过的表面.加工后表面液滴冻结时间比未加工表面最高延迟47 s,激光功率为7 W时的冻结时间最长,霜晶质量最小,表面覆盖率最低.结论 高接触角、低接触角滞后的微织构表面可以有效延迟结冰时间.     

飞秒激光刻蚀对纳米金刚石薄膜表面微观特性的影响

利用飞秒激光对纳米金刚石涂层进行刻蚀试验,通过改变激光的重复频率,输出功率以及焦点扫描速度,研究不同的激光加工参数对金刚石涂层烧蚀结果的影响。利用白光干涉仪器、SEM、拉曼光谱仪研究了飞秒激光刻蚀后涂层表面微观粗糙度、微观形貌以及碳相结构变化。采用面积推算法计算出扫描速度1 mm/s,有效脉冲数为90时的烧蚀阈值。结果表明：金刚石涂层表面飞秒激光诱导的条纹状结构周期（LIPSS）接近飞秒激光波长,改变飞秒激光重复频率对涂层表面形貌修饰影响不大;由于烧蚀饱和作用,飞秒激光功率增加至80 mW过程中涂层表面微观粗糙度持续减小随后维持在325 nm左右;激光扫描速度的增大可使LIPSS特征消失,当扫描速度增加至1.4 mm/s后,涂层表面微观粗糙度不再继续降低而是随着速度的增大而增大。激光诱导的金刚石涂层表面石墨化程度越高,涂层表面微观粗糙度则越低;当有效脉冲数为90时纳米金刚石薄膜的飞秒激光烧蚀阈值为0.138 J/cm²。     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

CVD金刚石膜激光平整化效率和粗糙度

对化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜进行激光平整化的正交试验,使用场发射环境扫描电子显微镜(SEM)进行形貌分析,激光共聚焦扫描显微镜测量线粗糙度R_a、面粗糙度S_a和切缝锥度,分析激光参数对CVD膜平整化的影响。结果表明:影响切缝锥度的因素依次为脉冲宽度、脉冲频率、进给速度和激光电流,影响线粗糙度R_a的因素依次为进给速度、激光电流、脉冲频率、脉冲宽度。正交试验优化后,当激光电流为64 A、脉冲宽度为400 μs、脉冲频率为275 Hz、进给速度为100 mm/min时,可获得最佳的切槽表面形貌。采用该优化参数进行面扫描,测得面粗糙度S_a为11.7?μm;进一步增加入射角度至75°时,面粗糙度S_a降低至1.9 μm,实际去除效率达到1.1 mm3/min。      

皮秒激光参数对仿生跨尺度乳突织构表面润湿性的影响

无修饰的金属疏水表面受到广泛关注,尤其是具有超高疏水性表面的制备方法逐渐被重视。通过皮秒激光烧蚀、电化学抛光和电化学沉积的顺序加工方法在铜表面制备一系列具有不同微观特征的乳突织构。系统研究激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数对乳突织构表面形貌及疏水性的影响,并分析表面润湿性的转化机理。研究结果表明,激光功率9 W、重复频率2 MHz、扫描速度200 mm/s、扫描次数20次时,跨尺度乳突织构表面静置30 d后可获得超高疏水性(接触角161°,滚动角1°)。储存30 d后,亲水性的Ni、CuO转化为疏水性的NiO、Ni(OH)_2、Cu_2O,以及含C有机物的吸附促成了乳突织构表面润湿性的转化。     

熔石英表面激光平滑中扫描速度对粗糙度的影响规律

目的 研究激光平滑光学元件的工艺,探索使用CW（连续）CO2激光器对熔石英光学元件表面进行平滑处理时,当激光束功率、束斑尺寸一定的情况下,不同的扫描速度对平滑后熔石英元件表面粗糙度的影响规律。方法 用仿真结合实验的方式进行了研究。使用有限元仿真模型对激光功率为25 W,作用斑点为短轴2 mm、长轴3 mm的椭圆斑的激光加工模型进行了仿真,得到了不同扫描速度下激光束作用于熔石英表面的温度场及对应的稳定温度。通过定点照射实验验证了温度仿真结果的准确性,并进行了扫描速度为0.04、0.1、0.2、0.35、0.5 mm/s的单因素实验,使用原子力显微镜检测平滑实验前后的熔石英表面粗糙度,得到了粗糙度与激光扫描速度之间的关系。结果 激光功率为25 W时,5种扫描速度对应的稳定温度都分布在熔石英材料的熔点以上。5种扫描速度下平滑后的熔石英表面粗糙度都明显降低,在扫描速度为0.1 mm/s的情况下,取得了将熔石英表面粗糙度由初始的62.55 nm降低至6.17 nm的平滑效果。结论 激光平滑过程中,当激光功率、激光斑尺寸一定时,存在一个最佳的扫描速度,可以使加工表面的粗糙度降低至光学表面的要求。     

选区激光熔化316L扫描特征参数对表面形貌影响

为研究不同扫描特征参数组合对选区激光熔化(selective laser melting,SLM)表面形貌的影响,以316L不锈钢粉末为例,进行介观尺度的单层双道数值模拟研究.基于离散元法建立单层的粉床数值模型.使用流体体积法对粉床受热部分粉末的熔化过程中的熔化、流动和凝固过程进行计算.考虑激光功率、扫描速度和扫描间距3个扫描特征参数,设计并进行正交试验,从熔道形貌特征和熔道宽度2个方面研究所选扫描特征参数对成形件表面的熔道形貌影响.依据数值模拟中的参数进行实际打印及形貌观察试验,验证数值模拟的有效性.结果表明,在313～500 J/m的线能量密度和50～90μm的扫描间距范围内,可以得到平整连续局部缺陷少的熔道形貌,且该区间内的参数组合依次线性对应;对熔道形貌的完整性影响由大到小依次为扫描速度、扫描间距和激光功率.