激光表面微织构工艺试验及应用研究

在声光调Q二级管泵浦固体光源Nd:YAG激光器基础上,采用"单脉冲同点间隔多次"激光微加工工艺,对45#钢试样表面进行激光微织构加工。分析了离焦量、泵浦电流、重复频率及重复次数对微织构形貌的影响规律。工艺试验表明,微凹腔的直径和深度随着泵浦电流的增大而增大,随着重复频率的增加呈减小的趋势,微凹腔深度随脉冲次数的增加呈近似线性增加,而微凹腔直径呈缓慢减小趋势。通过对某型号四缸汽油机的台架性能试验研究,表明与传统平顶机械珩磨相比,采用激光珩磨技术的汽油机机油耗要比原机降低56%,燃油耗降低1.94%~4.5%。     

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...     

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.     

基于响应面法的Ni60/WC涂层表面织构皮秒分束工艺参数预测研究

目的 实现六分束激光在Ni60/WC涂层表面烧蚀目标织构激光加工工艺参数的精确选择。方法 基于CCD响应面法,设计在不同的激光工艺参数下对Ni60/WC涂层表面进行织构烧蚀试验,以激光频率、扫描次数、扫描速度为影响因素,以圆凹坑织构直径、深度及由其直径和深度综合加权所得的综合目标为响应目标,建立目标织构所需激光工艺参数的预测模型,以织构直径、深度及综合目标作为优化条件,对预测模型进行实验验证。结果 扫描次数对织构直径的影响最显著,单个脉冲光斑上所聚集的能量大小是影响织构直径误差的关键因素。对织构深度影响最显著为扫描次数和频率,织构深度与扫描次数、频率呈正相关,不同因素间的交互作用是影响织构加工结果的关键。通过对预测模型所优选的参数进行实验验证发现,以织构直径和深度、综合目标建立的预测模型优选工艺参数所加工圆凹坑织构的质量评价指标与其预测指标的误差率分别为19.37%、3.57%。功率为6 W时,六分束激光加工最优工艺参数为速度5 500 mm/s、频率400k Hz、扫描2次。结论 通过综合目标建立的Ni60/WC涂层表面圆凹坑织构六分束激光加工参数优选预测模型精确程度较高,能够实现N...     

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。     

利用飞秒激光对钛金属表面黑化处理的研究

目的降低金属钛表面的反射率,探索钛表面黑化处理的新工艺。方法采用飞秒激光技术对金属钛表面进行了黑化处理,通过研究激光功率、扫描速度、重复频率等工艺参数,研究不同试验状态下样品的表面形貌和反射率,采用扫描电镜表征样品的微观结构,同时利用分光光度计测试样品的反射率曲线。结果当激光功率为6 W、扫描速度为100 mm/s、重复频率为200 k Hz时,样品的反射率最低,在250~800 nm波长范围内的平均反射率为2.66%。结论调节激光参数可以在金属钛表面获得不同形貌的微结构,不同工艺参数下获得的样品的反射率不同,但是都可以降低钛表面的反射率。     

纳秒激光加工微凹坑对YG3表面浸润性的影响

研究硬质合金刀具表面浸润性对提高刀具寿命和工件加工表面质量有重要的意义。采用波长1064 nm纳秒脉冲激光在硬质合金YG3表面加工微凹坑阵列,运用光学显微镜、光学轮廓仪和接触角测量仪分别测量微凹坑形貌和表面接触角,研究不同激光功率、扫描次数和微凹坑间距对表面形貌和接触角的影响规律。建立微凹坑几何形貌模型,基于Wenzel理论分析微凹坑形貌变化对表面接触角的影响机理。结果表明:随着平均功率和扫描次数的提高,微凹坑的直径和深度均增大;随着间距的减小,微凹坑分布密度增大。3种条件下表面粗糙度率均增大,表面接触角余弦值随粗糙度率的变化趋势基本一致且成正相关,所以接触角随粗糙度率增加而降低。通过实际接触角与推导接触角的曲线拟合得到了接触角方程。     

激光冲击强化9Cr18钢及协同制备表面微坑研究

目的 探索9Cr18钢经激光冲击强化后,二次激光冲击制备表面微坑的可行性和相关工艺。方法 利用不同工艺参数对9Cr18钢试样进行单点冲击,使用激光共聚焦对单点冲击诱导的微坑进行轮廓形貌检测,使用显微硬度仪测量微坑区域的硬度;通过激光冲击对9Cr18钢进行全覆盖表面强化,并进行二次激光冲击,以制备表面微坑。结果 对于单点冲击,表面凹坑深度随着激光冲击能量的增大而增大,并非呈线性增大。当冲击能量为12 J时,凹坑深度达到38.39 µm。对于同能量单点双次冲击,其凹坑深度比单点冲击大。当冲击能量为12 J时,双次冲击深度最大达到49.05 µm。在能量梯度叠加冲击时,以6 J为第1次冲击能量,将第2次冲击能量提高到12 J,此时凹坑深度达到58.61 µm。对于不同脉宽冲击,在脉宽为26 ns时,不同能量冲击的凹坑深度均达到最深。经激光冲击强化后,采用不同能量进行二次冲击,在能量为12 J时凹坑深度为19.79 µm。采用不同脉宽进行二次冲击,在脉宽为22、26 ns时,凹坑深度为13.61 µm。结论 表面微坑的深度随着能量、脉冲宽度和冲击次数的增加而增加;表面微坑的硬度随着能量和次数的增加而增大,硬度随着脉宽的增加呈先减小后增大的趋势;采用激光冲击工艺协同处理,可以强化9Cr18钢表面,并制备出一定深度的微坑,可为激光冲击对9Cr18钢的强化及表面织构化提供理论指导和工艺基础。     

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。     

光纤激光淬火对凸轮用45钢表面磨损性能的影响

为了提升凸轮表面耐磨性,采用YLS-4000型光纤激光器通过不同的激光功率对基体材料45钢表面进行激光淬火。通过SEM观察激光淬火前后材料表面和界面形貌,金相显微镜观察组织形貌,通过HVS-1000A型显微硬度仪测试了试样表面硬度,并测试了试样的摩擦因数和磨损形貌。结果表明:淬火层界面显微组织为淬火马氏体及少量残余奥氏体,在激光功率1 000~1 800 W时分别获得淬硬层深度为0.3~0.8mm的单道热影响区;淬硬层硬度分布基本均匀,平均硬度约为547~765HV,比基体硬度提高了2~3倍,激光淬火后组织细化和形成大量马氏体是硬度提高的主要原因;在一定激光功率范围内(1 200~1 800 W),激光淬硬层的抗磨损性能比基体有较大的提升,且当激光功率为1 600 W时能获得最佳的磨损性能。     

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...     

激光抛光表面形貌的误差复映规律

目的探究激光抛光工艺中的表面形貌误差复映规律。方法首先采用纳秒光纤激光对不锈钢表面进行标刻加工制备微结构,再通过纳秒光纤激光对预制微结构的表面进行抛光加工,通过超景深显微镜测量加工后的表面形貌,分析表面形貌随加工参数的变化规律。其中纳秒光纤激光波长为1064 nm,脉宽约200 ns,最大激光功率为20 W。进行标刻时,激光功率设置为18 W,激光脉冲频率为20 kHz,扫描速度500 mm/s,通过多次重复标刻在不锈钢表面标刻出一定深度的凹槽。采用低功率(6、4、2、1、0.2 W)的纳秒激光对预制的局部微结构进行激光抛光处理,抛光过程的扫描线间距设置为10μm,扫描速度设置为200 mm/s,对包含凹槽的2 mm×2 mm的区域进行两次抛光处理。结果经标刻加工的微凹槽周围存在较大的边缘凸起;激光抛光能够有效降低凹槽边缘凸起高度,选择合适的抛光参数可将凹槽边缘凸起高度降低到2μm以下。对于高度大于10μm的边缘凸起,在激光功率大于2 W时,抛光后的边缘凸起高度随激光功率的增大而线性减小;在激光功率小于2 W时,边缘凸起高度随激光功率变化不明显。对于高度小于10μm的边缘凸起,激光抛光存在抛光饱和的现象——凸起高度随激光功率密度变化不明显。结论已有微结构的不锈钢表面经激光抛光会形成残留微结构,从而表现出一定的形状复映规律。经抛光处理后的沟槽边缘凸起的高度随着所使用的激光能量密度的增大而减小,基本服从线性变化规律。     

工艺参数对钛合金激光熔覆 CBN 涂层几何形貌的影响

目的获得制备形貌较佳的CBN激光熔覆层的工艺参数。方法以CBN粉末为熔覆材料,在TC11钛合金表面制备CBN熔覆层。设计正交试验,利用金相法检测熔覆层的几何形貌参数,研究工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、预置层厚度)对涂层几何形貌的影响规律。结果随着激光功率、扫描速度、离焦量和预置层厚度的增大,熔覆层宽度、高度以及熔池深度都发生相应的改变。其中扫描速度对熔覆层形貌的影响最大,其次为激光功率和预置层厚度,离焦量的影响最小。随着激光功率增大,熔覆层宽度先增大后减小,熔覆层高度逐渐降低,熔池深度逐渐增大。扫描速度、离焦量和预置层厚度的增加都导致熔覆层宽高和熔池深度的减小。结论最优的工艺参数为:激光功率1400W,扫描速度4mm/s,离焦量35mm,预置层厚度0.4mm。     

工艺参数对Nd:YAG激光熔覆层几何尺寸和性能的影响

研究了电压、脉宽和激光重复频率对Nd：YAG激光熔覆层几何尺寸和性能的影响，解释了造成这些影响的原因。结果表明，在其它工艺参数一定的情况下，电压越高，或脉宽越大，或频率越大，将使熔覆层高越小，熔深越大，熔覆层宽越大；随着脉宽、激光重复频率或电压的增加，熔覆层气孔率越小；当脉宽、激光重复频率或电压在一定范围内增加时，熔覆层均不会开裂。     

激光一次性去除铝合金飞机蒙皮涂层实验与数值研究

目的 研究激光的频率、功率及扫描速度等参数对脉冲激光清洗航空铝合金表面S06-0215油漆涂层的影响,分析脉冲激光清洗的机制,优化工艺参数组合,并设计航空铝合金表面涂层一次性去除方法。方法 以航空铝合金2A12为基材,开展脉冲激光的频率、功率和扫描速度等参数对基材表面涂层烧蚀深度的影响研究,以及烧蚀过程中基材表面最高温度的模拟研究。同时,以表面粗糙度和去除深度为评价指标,对2A12铝合金飞机蒙皮表面涂层进行清洗实验,对采用优化参数清洗后的蒙皮表面进行粗糙度测量、元素含量以及组成成分分析。结果 脉冲激光的扫描速度和频率变大,以烧蚀为主导作用的去除机制逐渐减弱,同时振动机制逐渐增强,并最终转变为主导地位。影响激光去除深度的参数,按权重大小依次为扫描速度、功率、频率。结合模拟与实验结果发现,激光频率125 kHz、功率70 W和速度50 mm/s为表面涂层S06-0215最佳的一次性去除工艺参数组合,此时能量密度大小为1.47 J/cm²,清洗过程中,不损伤2A12铝合金飞机蒙皮基材。通过XRD、SEM以及EDS表征分析表明,氧化膜仅被部分去除。结论 激光清洗铝合金表面...     

Picosecond laser machining of tungsten carbide

Hard materials such as tungsten carbide (WC) are extensively used in cutting tools in high-value manufacturing, and the machining of these materials with sufficient speed and quality is essential to exploit their full potential. Over the last two decades, short (nanosecond (ns)) and ultra-short (picosecond (ps); femtosecond (fs)) pulse laser machining has been evaluated by various researchers and proposed as an alternative to the current state-of-the-art machining techniques for advanced materials like WC, which include mechanical grinding and electrical discharge machining. However, most of the established/existing research on this topic is based on low power lasers, which may not be adopted in industrial production environments due to its low material removal rate. This paper presents the results of a fundamental study, on using a 300 W picosecond laser for the deep machining of tungsten carbide. The influence of various laser parameters on the geometric precision and quality (surface and sub-surface) of the ablated area was analysed, and the ablation mechanism is discussed in detail. Laser pulse frequency and scanning speed have minimal effect on ablation rate at high power levels. The surface roughness of the ablated area increases with the ablation depth. At optimal conditions, no significant thermal defects such as a recast layer, micro crack or heat affected zone were observed, even at a high average power of 300 W. The material removal rate (MRR) seems to be proportional to the average power of the laser, and a removal rate of around 45 mm³ per minute can be achieved at 300 W power level. Edge wall taper appears to be a significant issue that needs to be resolved to enable industrial exploitation of high power ultra-short pulse lasers.     

激光处理对4Cr3Mo2NiVNb钢磨损性能的影响

研究不同激光加工参数下4Cr3Mo2NiVNb钢表面的非光滑单元体的特征(包括宽度、深度、面积比及体积)、组织、硬度以及材料的磨料磨损性能.结果表明,在额定功率范围内,频率不变时随电流强度和脉宽增加,单元体变宽,体积变大,组织变粗大,硬度降低,非光滑材料磨损性能提高.当电流增大到200A、脉宽增大到15 ms后,非光滑材料的磨损性能提高幅度趋于平缓.所研究范围内300A和20 ms下获得的非光滑试样磨料磨损性能较好.非光滑材料磨损性能改善程度是非光滑单元体特征、组织及硬度综合作用的结果.