專利名稱：激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)和表面強化技術(shù)領(lǐng)域，特指一種通過激光誘導(dǎo)的連續(xù)爆轟強沖擊波的作用實現(xiàn)金屬表面納米化的方法與裝置。
背景技術(shù)：
材料的各種破壞往往起于其表面，如腐蝕、磨損、氧化、疲勞破壞等，表層材料的結(jié)構(gòu)、特性對材料的綜合性能的影響頗深。在材料的表面制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，可以提高材料的整體力學(xué)性能和環(huán)境服役行為。在金屬表面獲得納米結(jié)構(gòu)表層主要由三種途徑表面涂敷或沉積法、表面自身納米化和混合納米化方法。對于表面涂敷或沉積法，是將制備出的具有納米尺度的顆粒固結(jié)在材料的表面， 在基體材料表面形成一個化學(xué)成分相同或不同的納米結(jié)構(gòu)表層。目前，常見的涂敷和沉積方法有物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射、電鍍和電解沉積等，這些技術(shù)的重點在于實現(xiàn)表層納米顆粒與基體間的牢固結(jié)合。東華大學(xué)申請的專利號CN100362128C—— 大氣壓平面放電化學(xué)氣相沉積納米顆粒膜方法及裝置的發(fā)明專利，使用大氣壓平面放電方法在各種材料表面均勻地沉積具有相同成分并且具有一定結(jié)晶特征的納米顆粒膜，但該方法的缺點是基材溫度較高，沉積速率較低，基材難以局部沉積，過程中會生成有害氣體。吉林大學(xué)申請的專利CN101298677——鎂合金表面耐磨耐腐蝕納米復(fù)合鍍層的制備方法，其將經(jīng)過化學(xué)鍍的鎂合金試樣放進(jìn)納米復(fù)合鍍液中，進(jìn)行電沉積納米復(fù)合鍍，制備鎂合金表面納米復(fù)合鍍層，但其鍍層厚度不夠均勻，且工藝過程較復(fù)雜，需要配備多種化學(xué)溶液，不夠清潔。常規(guī)激光沖擊利用高功率密度、短脈沖強激光沖擊金屬表面，金屬表面涂層吸收激光能量而氣化、電離、膨脹爆炸，形成向金屬內(nèi)部傳播的等離子體沖擊波，但是一般工藝產(chǎn)生的沖擊力不足以使納米顆粒嵌入到金屬表層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的獲得納米涂層的方法，可以克服上述缺點，簡單、快速獲得納米結(jié)構(gòu)涂層且效果好、污染小。本發(fā)明利用高功率密度短脈沖強激光誘導(dǎo)的連續(xù)爆轟沖擊波將納米粉末顆粒嵌入到金屬材料的表層，使其產(chǎn)生致密的納米保護(hù)層，提高材料的抗腐蝕性、耐磨損性、抗氧化性及其疲勞壽命。相對于常規(guī)激光沖擊強化工藝，本方法中設(shè)計的耐高壓玻璃管道可使黑漆等離子體連環(huán)爆炸，極大程度地提高爆轟波的速度和大小。本發(fā)明的設(shè)計了耐高壓玻璃管道，以誘導(dǎo)能量吸收物質(zhì)連環(huán)電離爆炸產(chǎn)生爆轟波，并約束爆轟波擴散衰減。耐高壓玻璃管道使用K9玻璃制作，形狀為蛇形折返式，其折返處為圓直角。上端口內(nèi)徑與脈沖激光光斑相同，因為光斑是可調(diào)的，所以耐高壓管道設(shè)計成一系列規(guī)格，下端口內(nèi)徑比上端口內(nèi)徑小3mm，上端密封下端開口，厚度6mm，管道總長 400mm，管道太長沖擊波衰減大，管道太短連環(huán)爆轟沖擊波達(dá)不到所需值。管道內(nèi)壁是激光反射鏡，用于反射未被能量吸收物質(zhì)吸收激光，防止能量的損失，每個拐角處的反射鏡面反射激光，對連環(huán)爆炸過程提供中間能量支持。管道內(nèi)壁的反射鏡上涂一層能量吸收物質(zhì)(黑漆、鋁粉等)帶，保證每個折彎處涂有能量吸收物質(zhì)。玻璃管道封裝于矩形玻璃盒內(nèi)，便于機械手夾持。在高功率密度、短脈沖強激光沖擊到耐高壓玻璃管道上端口的能量吸收涂層表面時，涂層粒子吸收高能激光的一部分能量，瞬時燃燒氣化、擊穿、電離，產(chǎn)生等離子體，等離子體受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量，引發(fā)膨脹爆炸，形成初始等離子體爆轟沖擊波，在耐高壓玻璃導(dǎo)管中傳播；產(chǎn)生的等離子體溫度、能量都極高，迅速激發(fā)誘導(dǎo)臨近涂層粒子發(fā)生同樣的燃燒氣化、電離、膨脹爆炸的過程，高能激光未被吸收的部分在耐高壓玻璃管道內(nèi)壁反射，反射到涂層上則氣化電離涂層物質(zhì)，為持續(xù)連環(huán)爆炸提供能量支持，沿著耐高壓玻璃管道內(nèi)壁上的能量吸收涂層條帶一直重復(fù)著這樣的過程，形成等離子云，爆轟沖擊波不斷遞進(jìn)重重疊加，且反應(yīng)時間極短(納秒級)，沖擊波衰減較小，到達(dá)下端口沖擊波壓力明顯躍升(達(dá)到10，105GPa)。耐高壓玻璃管道起到了增大沖擊波壓力的作用，這個連環(huán)過程中產(chǎn)生的強大沖擊波把納米顆粒嵌入到合金材料表面，形成納米顆粒涂層。在獲得納米涂層的同時，到達(dá)工件的沖擊波的峰值壓力高于金屬材料的動態(tài)屈服極限，表層發(fā)生強塑性應(yīng)變和大密度位錯，在其表層產(chǎn)生了大幅殘余壓應(yīng)力，有效提高材料的抗疲勞性能。本發(fā)明的裝置包括大功率激光器，三自由度機械手，紅外定位校準(zhǔn)器，45°全反鏡，聚焦透鏡，工件上定位夾緊塊，工件，工件夾緊裝置控制器，工件側(cè)定位夾緊塊，XY軸工件支撐板，工作臺，計算機，耐高壓玻璃管道。計算機控制激光器、XY軸工件支撐板和三自由度機械手；機械手位于工作臺上；耐高壓玻璃導(dǎo)管由機械手夾持，玻璃導(dǎo)管上端密封、下端為倒錐形開口 ；工件夾緊裝置控制器控制工件定位夾緊塊的移動和施力。用砂紙磨除工件表面的氧化層，無水酒精清洗工件表面的油污；工件安裝在可沿 XY軸移動的工件支撐板上夾緊；使用金屬粉末粘結(jié)劑把納米粉末均勻涂敷在工件待加工表面自然風(fēng)干；用帶棉花頭的可卷曲橡膠帶在耐高壓玻璃管道的內(nèi)壁和上端口的底部刷一條黑漆帶，自然風(fēng)干后，夾持在三自由度機械手上；打開紅外定位器，水平移動機械手，使紅外光射到耐高壓玻璃管道上端口的黑漆上，然后移動XY軸工件支撐板，使耐高壓玻璃管道的下端口對準(zhǔn)待加工區(qū)域，再垂直移動機械手，使耐高壓玻璃管道下端口距離加工表面 5-15mm，最后固定工件支撐板和鎖緊機械手；啟動激光器，設(shè)置激光的功率密度、光斑直徑、 能量、脈沖寬度等參數(shù)，進(jìn)行三次沖擊；通過移動工件支撐板，進(jìn)行不同部位的單點沖擊和搭接沖擊；沖擊結(jié)束后，取下工件，適當(dāng)打磨，最后清洗。本發(fā)明的優(yōu)點
1，本發(fā)明使用了螺旋耐高壓玻璃管道，由連環(huán)爆炸、氣化、電離、沖擊波傳播疊加原理， 可獲得比一般黑漆涂層更強大的爆轟沖擊波。2，相比沉積法或電鍍固結(jié)納米粒子到基體材料的方法，本發(fā)明所使用的方法，工藝過程簡單，加工速度快，可迅速把納米粒子嵌入到基材表面。3，本發(fā)明除了使用的黑漆沒有其他的化學(xué)物質(zhì)，清潔環(huán)保，是一個綠色加工方法。4，相對其他方法，本發(fā)明方法對基體材料來說屬于冷加工或近似冷加工，不會因為高溫而影響工件的一些性能。5，在獲得納米涂層的同時，沖擊波的峰值壓力高于金屬材料的動態(tài)屈服極限，在高應(yīng)變率作用下發(fā)生強塑性應(yīng)變和大密度位錯，在其表層產(chǎn)生了大幅殘余壓應(yīng)力，對抗疲
4勞破壞性能及其有效。


圖1激光誘導(dǎo)的沖擊波的形成的過程和原理圖。圖2制備表面納米涂層的裝置圖。圖3螺旋倒錐形耐高壓玻璃管道示意圖。圖4螺旋倒錐形耐高壓玻璃管道俯視示意圖。圖5塊狀工件的側(cè)表面玻璃管道示意圖。圖中1激光束，2內(nèi)表面為激光反射鏡面，3黑漆條帶，4起始爆轟沖擊波，5最終爆轟沖擊波，6納米粉末顆粒，7黑漆粒子，8大功率激光器，9三自由度機械手，10紅外定位校準(zhǔn)器，11激光束，12全反鏡，13聚焦透鏡，14工件上定位夾緊塊，15工件，16工件夾緊裝置控制器，17工件側(cè)定位夾緊塊，18 XY軸工件支撐板，19工作臺，20計算機，21 耐高壓玻璃管道，22預(yù)涂工件表面的納米粉末。
具體實施例方式以下為本發(fā)明的具體實施例，但不用來限制本發(fā)明。本發(fā)明包括控制系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。下面結(jié)合圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。本發(fā)明關(guān)于激光連續(xù)誘導(dǎo)爆轟沖擊波形成的過程及原理如圖1所示，高功率密度、短脈沖強激光1，照射到耐高壓玻璃管道21上端口的黑漆表面，黑漆粒子7吸收激光能量，瞬時氣化、擊穿、電離，產(chǎn)生等離子體，等離子受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量，引發(fā)膨脹爆炸，形成初始等離子體爆轟沖擊波4，在耐高壓玻璃導(dǎo)管21中傳播，耐高壓玻璃導(dǎo)管21為蛇形折返式，其折返處為圓直角；高溫高能等離子體迅速激發(fā)誘導(dǎo)相鄰黑漆粒子發(fā)生同樣的瞬時氣化、電離、膨脹的過程，再次產(chǎn)生沖擊波，沿著黑漆條帶一直重復(fù)著這樣的過程，形成等離子云，爆轟沖擊波不斷遞進(jìn)重重疊加，到達(dá)下端口沖擊波壓力5明顯躍升。本過程中反應(yīng)時間極短，沖擊波衰減較小，耐高壓玻璃管道起到了增大沖擊波壓力的作用，這個連環(huán)過程中產(chǎn)生的強大沖擊波5從下端口輸出，將納米顆粒嵌入到合金材料表面，形成納米顆粒涂層。在獲得納米涂層的同時，到達(dá)工件的沖擊波的峰值壓力高于金屬材料的動態(tài)屈服極限，表層發(fā)生強塑性應(yīng)變和大密度位錯，在其表層產(chǎn)生了大幅殘余壓應(yīng)力，有效提高材料的抗疲勞性能。如圖2用于本發(fā)明的方法獲得材料表面納米涂層的裝置及其具體實施方法使用砂紙對工件16待處理表面進(jìn)行除銹、打磨拋光，然后使用無水酒精對工件除油、清洗；把工件安裝在可沿XY軸移動的工件支撐板18上，夾緊；使用金屬粉末粘結(jié)劑把納米粉末22均勻涂敷在工件待加工表面，自然干燥；使用帶棉花頭的可卷曲橡膠帶在耐高壓玻璃管道的內(nèi)壁和上端口的底部刷一條黑漆帶，自然風(fēng)干后，夾持在三自由度機械手9上；打開紅外定位器10，水平移動機械手，使紅外光射到耐高壓玻璃管道上端口的黑漆上，然后移動XY軸工件支撐板，使耐高壓玻璃管道21的下端口對準(zhǔn)待加工區(qū)域，再垂直移動機械手，使耐高壓玻璃管道下端口距離加工表面5-15mm，最后固定工件支撐板和鎖緊機械手；啟動激光器 8，設(shè)置激光的功率密度、光斑直徑、能量、脈沖寬度等參數(shù)，激發(fā)的激光11經(jīng)過45°全反鏡12和聚焦透鏡13射到耐高壓玻璃導(dǎo)管上端口的黑漆上，黑漆吸收激光能量在管道內(nèi)發(fā)生連環(huán)氣化電離，形成等離子云，強大的沖擊波把納米粒子注入到工件表層材料中，形成致密的納米涂層，提高材料整體的抗腐蝕性、耐磨損性、抗氧化性和提高其疲勞壽命。實例一把預(yù)處理好的7050鋁合金工件固定夾緊在工件支撐板18上；然后使用金屬粉末粘結(jié)劑把SiC納米粉末22均勻涂敷在7050鋁合金預(yù)加工表面15 ；在耐高壓玻璃管道21的內(nèi)壁和上端口的底部刷一條黑漆帶，自然風(fēng)干，再把耐高壓玻璃管道夾持在機械手9上；打開紅外定位器10，水平移動機械手，使紅外光射到耐高壓玻璃管道上端口的黑漆上，關(guān)閉紅外定位器，然后移動XY軸工件支撐板，使耐高壓玻璃管道的下端口對準(zhǔn)待加工區(qū)域，再垂直方向移動機械手，使耐高壓玻璃管道下端口距離加工表面10mm，最后固定工件支撐板和鎖緊機械手；啟動釹玻璃調(diào)Q激光器8，設(shè)置基本參數(shù)為激光脈沖寬度10ns，波長是1. 054 μ m，脈沖能量是45J，光斑直徑是12mm。高能短脈沖激光沖擊到耐高壓玻璃管道上端口的黑漆7，黑漆氣化電離產(chǎn)生高溫高能等離子體，黑漆等離子體在耐高壓玻璃管道內(nèi)發(fā)生連環(huán)爆炸，在下端口產(chǎn)生強大的爆轟波5(達(dá)到10，105GPa)，將SiC納米粒子注入7050 鋁合金表層。通過移動工件支撐板，多次搭接沖擊來完成整個加工區(qū)域的納米強化。實例二 一種用于誘導(dǎo)連環(huán)爆炸的耐高壓玻璃管道可以為如圖3、4所示的螺旋倒錐形，其螺距為20mm，螺旋管內(nèi)徑根據(jù)激光光斑有一系列直徑(6mm，8mm，IOmm等)，上端封口下端開口，內(nèi)壁是激光反射鏡，內(nèi)壁上涂有黑漆能量吸收物質(zhì)，激光沖擊到上端口的黑漆，氣化電離，管道內(nèi)發(fā)生連環(huán)爆轟，形成的巨大爆轟波在下端口輸出，作用到工件的加工表面。實例三一種用于誘導(dǎo)連環(huán)爆轟沖擊波的耐高壓玻璃導(dǎo)管可以為如圖5的形狀， 能夠把垂直激光束誘導(dǎo)的沖擊波水平輸出，用來加工塊狀工件的側(cè)表面。管道內(nèi)徑跟據(jù)激光光斑直徑有不同值，彎管處直徑為15mm，內(nèi)壁是激光反射鏡面，其上涂有能量吸收材料， 一端開口一端封口，內(nèi)側(cè)涂能量吸收物質(zhì)的封口端接收激光照射產(chǎn)生等離子體，彎管處的能量吸收材料可吸收剩余激光氣化電離，產(chǎn)生等離子體，為連環(huán)爆轟提供中間能量支持和沖擊波支持。
權(quán)利要求
1.一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層方法，其特征在于，高功率密度、短脈沖強激光(1 )，照射到耐高壓玻璃管道(21)上端口的黑漆表面，黑漆粒子(7)吸收激光能量，瞬時氣化、擊穿、電離，產(chǎn)生等離子體，等離子受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量，引發(fā)膨脹爆炸，形成初始等離子體爆轟沖擊波(4)，在耐高壓玻璃導(dǎo)管中傳播；高溫高能等離子體迅速激發(fā)誘導(dǎo)相鄰黑漆粒子(7)發(fā)生同樣的瞬時氣化、電離、膨脹的過程，再次產(chǎn)生沖擊波，沿著黑漆條帶一直重復(fù)著這樣的過程，形成等離子云，爆轟沖擊波不斷遞進(jìn)重重疊加，到達(dá)下端口沖擊波壓力(5)明顯躍升；輸出的巨大沖擊波壓力將預(yù)涂工件表面的納米顆粒(22)嵌入工件(25 )表面，形成納米涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層方法，其特征在于，具體步驟為用砂紙對工件(25)待處理表面進(jìn)行除銹、打磨拋光，然后使用無水酒精對工件(25)除油、清洗；工件安裝在可沿XY軸移動的工件支撐板上(18)，夾緊；使用金屬粉末粘結(jié)劑把納米粉末均勻涂敷在工件(25)待加工表面，自然干燥；用帶棉花頭的可卷曲橡膠帶在耐高壓玻璃管道(21)的內(nèi)壁和上端口的底部刷一條黑漆粒子帶，自然風(fēng)干后，夾持在三自由度機械手(9 )上；打開紅外定位器(10)，水平移動機械手，使紅外光射到耐高壓玻璃管道(21)上端口的黑漆上，然后移動XY軸工件支撐板(18)，使耐高壓玻璃管道(21)的下端口對準(zhǔn)待加工區(qū)域，再垂直移動機械手，使耐高壓玻璃管道(21)下端口距離加工表面3-5mm，固定工件支撐板并鎖緊機械手；啟動激光器(8)，設(shè)置激光的功率密度、光斑直徑、能量、脈沖寬度參數(shù)，進(jìn)行三次沖擊；通過移動工件支撐板，可進(jìn)行不同部位的單點沖擊和搭接沖擊；沖擊結(jié)束后，取下工件(15)，適當(dāng)打磨，最后清洗。
3.實施權(quán)利要求1所述的一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層方法的裝置，其特征在于包括大功率激光器(8)，三自由度機械手(9)，紅外定位校準(zhǔn)器(10)， 45°全反鏡(12)，聚焦透鏡(13)，工件上定位夾緊塊(14)，工件(15)，工件夾緊裝置控制器(16)，工件側(cè)定位夾緊塊(17)，XY軸工件支撐板(18)，工作臺(19)，計算機(20)，耐高壓玻璃管道(21)；計算機(20)實時控制激光器、XY軸工件支撐板(18)和三自由度機械手(9); 機械手位于工作臺(19)上；耐高壓玻璃導(dǎo)管由機械手夾持，玻璃導(dǎo)管上端密封下端為倒錐形開口 ；工件夾緊裝置控制器(16)控制工件定位夾緊塊(14)的移動和施力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層裝置，其特征在于所述耐高壓玻璃導(dǎo)管上端密封下端為倒錐形開口，下端口內(nèi)徑比上端口內(nèi)徑小 3mm，厚度6mm，管道總長400mm，內(nèi)壁為激光反射鏡面，在其內(nèi)壁上刷一層能量吸收物質(zhì)，誘導(dǎo)的等離子體在導(dǎo)管內(nèi)部發(fā)生連環(huán)爆炸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層裝置，其特征在于所述耐高壓玻璃導(dǎo)管為蛇形折返式，其折返處為圓直角。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層裝置，其特征在于所述耐高壓玻璃導(dǎo)管為螺旋倒錐形，其螺距為20mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用激光誘導(dǎo)的等離子體連續(xù)爆炸產(chǎn)生強沖擊波在金屬表面獲得納米涂層的方法與裝置，涉及激光技術(shù)和表面強化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明激光器激發(fā)的激光輻射耐高壓玻璃管道上端口的黑漆粒子，黑漆粒子吸收激光能量，瞬時氣化、擊穿、電離，產(chǎn)生等離子體，等離子受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量引發(fā)膨脹爆炸，形成初始等離子體爆轟沖擊波，在耐高壓玻璃導(dǎo)管中傳播；高溫高能等離子體沿著黑漆條帶一直重復(fù)膨脹爆炸，到達(dá)下端口沖擊波壓力明顯躍升，將納米顆粒嵌入到合金材料表面，形成納米顆粒涂層。表層發(fā)生強塑性應(yīng)變和大密度位錯，在其表層產(chǎn)生了大幅殘余壓應(yīng)力，有效提高材料的抗疲勞性能。
文檔編號C23C24/04GK102199769SQ20111012082
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者任旭東, 何衛(wèi)峰, 周鑫, 張永康, 張?zhí)? 戴峰澤, 李應(yīng)紅, 楚維, 汪誠, 皇甫喁卓, 阮亮 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學(xué), 江蘇大學(xué)