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.     

电火花线切割加工表面微织构技术研究

表面微织构加工是一个相当复杂的过程,涉及微织构的尺寸、质量及形貌等问题。为解决制备微织构存在的问题,利用数控电火花线切割加工技术,在45钢表面加工微槽织构,研究线切割制备微织构的尺寸、形貌。试验分别采用钼丝、铜丝作为电极丝,设计脉宽、脉停、电流等线切割正交试验,切割宽度小于400μm的微槽织构,分析不同线切割参数、电极丝材料对微槽尺寸精度和微槽切口处光整度的影响。通过采集、测量试验所得工件表面微槽织构,发现线切割参数对微槽尺寸精度和切口处光整度有较大的影响;在较小线切割参数下,钼丝切割的微槽尺寸大于铜丝,在较大的线切割参数下,铜丝切割的微槽尺寸大于钼丝;对比微槽切口处光整度,发现钼丝切割的微槽整体质量优于铜丝。试验列出不同线切割参数切割的微槽尺寸,为电火花线切割加工微织构提供了试验数据。     

硬质合金表面微凹槽激光加工工艺试验研究

为了在硬质合金材料上得到不同微凹槽织构尺寸的加工参数,采用Nd∶YAG激光微加工系统进行微凹槽造型。利用单因素分析法分析了泵浦电流和扫描速度对微凹槽参数的影响。通过WYKO-NT1-100三维形貌分析仪研究了试样的表面织构形貌。结果表明:泵浦电流对微凹槽织构的宽度和深度影响都很大,而扫描速度主要影响微凹槽的深度及底部质量。当扫描速度为8 mm/s时,微凹槽的深度最大,底部质量最好。     

激光加工工艺参数对Invar 36合金表面微织构质量的影响

目的 提高微织构的加工效率和加工质量,为改善Invar 36合金的表面性能及微织构加工工艺参数提供理论依据。方法 为了保证该研究的合理性和可行性,采用光纤激光加工技术并结合正交试验法研究了激光功率,激光频率,激光扫描速度和扫描次数4种不同加工参数对微织构凹槽表面形貌结构尺寸及加工质量的影响,并通过摩擦学试验方法测试了其对应的摩擦学性能。最后,通过三维形貌测试仪和扫描电子显微镜对微织构加工结果进行测量表征。结果 微织构凹槽的加工质量与激光扫描次数和扫描速度的关系更大,随着激光扫描次数的增加,微织构的深度明显增加,但是其宽度逐渐减少。当扫描次数在5~15次时,随着扫描次数的增加,微织构表面及边缘熔融物不规则凸起逐渐平整。激光扫描速度与微织构凹槽的宽度成正比,但是与微织构凹槽的深度及边缘不规则凸起的高度成反比关系。此外,当激光扫描次数为15次,激光扫描速率为400~500 μm/s时,加工的微织构表面粗糙度更低,且根据摩擦试验结果,发现该条件下加工的微织构摩擦副的减摩耐磨效果更佳。结论 激光扫描次数和激光扫描速度是影响凹槽型微织构加工质量和表面性能的关键因素,试验结果表明在适当的激光加工工艺参数下(P=0.04 W,f=20 kHz,v=500 μm/s,n=15)微织构凹槽具有较高的加工质量,从而有效改善Invar 36合金的摩擦学性能,对未来进一步提高Invar 36合金的表面性能及加工质量具有一定的指导意义。     

牙轮钻头轴承表面织构三种加工方法对比分析

目的研究牙轮钻头轴承上润滑减磨的有效织构加工方法,从而进一步深入牙轮钻头轴承上仿生表面织构的研究。方法开展精密雕刻、纳秒激光和飞秒激光三种加工方式在牙轮钻头轴承上加工织构的实验,观察加工织构底部形貌,从织构加工尺寸、加工精度、加工对象三个方面对比分析三种织构加工方式的优缺点。结果精密雕刻技术可获得较规则的织构三维形貌,但不适用加工熔点高的材料,且仅适用于直径大于400?m的织构。纳秒激光由于金属熔融堆积效应,织构加工质量较差。飞秒激光技术的加工质量高且不受材料限制,能获得较好的织构轮廓,合理织构直径应小于300μm。结论为织构化牙轮钻头滑动轴承的加工方法提供依据。综合织构加工尺寸范围、加工对象和加工精度,飞秒激光加工技术在牙轮钻头轴承上具有良好的应用前景,精密雕刻技术仅在织构尺寸较大时可采用。     

液相辅助激光加工织构微观形貌变化及其影响机制

刀具的快速磨损是制约金属切削效率和加工质量的关键因素,为了增强刀具的耐磨性,延长刀具使用寿命,提高工件的加工质量,通过试验探究液相辅助激光加工织构形貌的特征,分析激光加工参数、液体种类和织构形状对所加工织构质量的区别。结果表明：扫描速度对织构形貌影响较大,硝酸和氢氟酸混合溶液辅助下加工的织构形貌较好,液相辅助激光加工技术更适用于无特定形状的大面积织构加工。     

微织构激光加工及表面空蚀性能测试

采用紫外纳秒脉冲激光在1060高纯度铝板表面进行加工,研究了不同的激光加工遍数对三角形微织构和矩形微织构表面形貌的影响,并对平面、三角形微织构、矩形微织构和激光处理的粗糙表面进行空蚀性能实验研究。结果表明,矩形微织构表面具有最好的抗空蚀性能,其归因于表面微结构对空化和空泡溃灭的抑制作用。     

空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构表面的润湿性研究

表面润湿性是表面技术的研究热点。为研究不同加工环境中激光制备微织构对304不锈钢表面润湿性的影响,采用光纤激光打标机,在空气、无水乙醇环境中采用一步法制备了微织构表面,从织构形貌、织构表面化学成分分析加工环境及激光参数对304不锈钢表面润湿性的调控机理。结果表明,无织构304不锈钢表面接触角为56.89°,表现出了亲水特性;空气环境中制备的织构为微米尺度的沟槽织构,与无织构304不锈钢表面相比O原子明显增多,其表面接触角为10.61°,表现出了高亲水特性;试验所选参数范围内,无水乙醇环境中制备的织构为不规则的微纳织构,与无织构304不锈钢表面相比新增了大量C原子,其表面接触角为66.14°～117.83°,表现出了疏水特性;亲/疏水表面可以应用在微量液体的定向输运。影响304不锈钢表面润湿性的因素主要有:织构形貌,表面化学成分。该研究为304不锈钢表面润湿性调控提供了参考。     

微织构车刀制备与SUS304钢高速微车削试验

针对高速微切削过程中微型车刀表面摩擦磨损严重的问题,利用表面非光滑微织构减摩减阻原理,在高速微切削用车刀表面利用激光加工技术制备了微槽、微坑织构,研究了激光加工参数与微织构形貌之间的关系;分析了微织构的摩擦学特性;利用自行研制的高速微车削单元进行微织构刀具及无织构刀具的高速微切削SUS304不锈钢的对比试验,从切削力、切削温度、刀屑接触状态、切屑形态以及已加工表面粗糙度对微织构车刀性能进行评价。结果表明:微槽、微坑织构均可以有效降低刀具表面摩擦因数;在高速微切削过程中可以减小切削力、切削温度,降低刀屑接触长度,改善切屑形态,尤其是微坑织构可明显改善表面质量,可以应用到SUS304不锈钢的高速微加工。     

基于Workbench的微织构刀具对铝合金切屑影响

针对6061铝合金切削过程中加工表面质量较差、切屑缠绕的实际情况,以仿生摩擦学理论为基础,利用ANSYS Workbench仿真软件,重点研究了刀-屑之间摩擦应力状况;同时,借助微织构硬质合金(WC-Co,YG8)刀具进行铝合金切削实验,研究不同尺寸和结构特征的微织构对铝合金切屑形貌的影响。研究结果表明:梯状微织构刀具尺寸为直径d=65μm、深度h=15μm时,刀屑之间最大摩擦应力下降21.8%,锯齿状切屑控制良好,齿高降幅52.5%,剪切角降幅31.6%,锯齿角降幅9.5%;存在细长型和粗壮型两种树杈状切屑,并得到良好控制,细长型切屑降幅达到95%,粗壮型切屑降幅87.5%,抑制效果明显。同时研究发现:微织构刀具下,切屑形貌严重影响加工表面质量,良好的切屑形貌,能够降低刀-屑之间镶嵌粘焊概率,减小加工过程中振幅和频率,使加工更加流畅,得到良好的加工表面质量。     

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...     

激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展

表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。     

牙科氧化锆(Y-TZP)陶瓷疏水性表面皮秒激光制备研究

研究了皮秒激光快速制备牙科氧化锆(Y-TZP)陶瓷疏水性功能表面技术,在Y-TZP陶瓷表面微制造出整齐的周期性微槽阵列,包括直槽阵列和柱状阵列,使Y-TZP陶瓷表面浸润性由本征亲水性(70°)向疏水性转变,且符合Cassie模型。分析研究了激光工艺参数对制备陶瓷表面微槽形貌和尺寸的影响,当激光扫描次数低于15次、功率小于15 W时,可得到光滑、均整的槽型微结构,有效改善了陶瓷表面的疏水性能。     

准分子激光微加工与熔覆特性的研究进展

介绍了准分子激光微加工的机理、特点和应用。激光微加工具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率等优点。既可以通过材料去除方式，也可以通过材料加成方式进行微加工成形。探讨了准分子激光的熔覆特性，实验表明：准分子激光瞬时产生很高的功率密度，具有很高的温度梯度。在基体表面发生剧烈的光热交互作用；同时产生巨大的光压和等离子体．形成大量等离子体小颗粒，沉积在熔池周围。另外，由于准分子激光的脉冲作用，熔池中有明显的液相冲击波纹会影响激光熔覆层的表面质量，可以通过优化激光工艺参数改善熔覆层的表面质量。     

Fibre laser micro-cladding of Co-based alloys on stainless steel

Laser micro-cladding by powder injection has been used to produce Co-based alloy clad strips with geometrical characteristics in the micrometer range (width: 45 µm, height: 15 µm). A new experimental set-up based on the use of a single mode fibre laser and a powder microfeeder was used to produce such coatings. A systematic study on the influence of several processing parameters (laser power, processing speed, mean precursor particle size) on the geometric features of the clad strips was carried out. Moreover Young's modulus and hardness measurements of the micro-clad strips allow affirming that these micro-cladding coatings maintain the mechanical properties typical from this hardfacing alloy.Reparation of defective microparts, surface functionalisation of small areas, or rapid fabrication of prototypes are areas of application of this rapid one step microcoating technique.     

纳秒脉冲激光对表面织构参数影响研究

表面微织构具有良好的减摩作用,刀具表面微织构的应用受到国内外学者的广泛关注。针对激光技术在表面微织构制备中的应用,利用红外脉冲纳秒激光雕刻机在YT15刀片表面制备出单脉冲织构、连续线性凹槽织构,分析单脉冲功率及相邻两脉冲光斑重叠面积百分比对织构参数的影响。结果表明:随着激光功率的增加,单脉冲织构的直径、深度、重铸层高度、重铸层宽度均增加;随着相邻两脉冲光斑重叠面积百分比增加,连续线性凹槽织构的深度、宽度、重铸层高度均增加,而重铸层宽度减小;与同功率单脉冲织构相比,连续脉冲的织构深度、重铸层高度、重铸层宽度均大于单脉冲织构,连续脉冲的织构宽度小于单脉冲织构直径。该研究为特定尺寸表面微织构制备提供参考。