一种生物非光滑表面的制备方法和装置

摘要

本发明“一种生物非光滑表面的制备方法和装置”涉及激光加工领域，特指一种在动态应变时效温度条件下激光冲击塑性成形辅助制备的方法和装置。本发明采用的方案为，将制备的特定形状的模具放置在金属工件表面和激光冲击所需的吸收层之间，在真空加热箱中并将金属工件加热到动态应变时效温度；激光束辐照在吸收层上，产生强大冲击力，在冲击力和基体加热的共同作用下，导致部分金属工件表面产生塑性变形，形成与模具相反的图案，是激光冲击和金属工件基体加热共同产生塑性变形的结果。

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种在动态应变时效温度条件下激光冲击塑性成形辅助制备的方法和装置，适用于激光冲击金属工件表面成形加工以及生物非光滑表面制备领域。

背景技术

现代工业和科学技术要求机器向使用寿命长、可靠性好的方向发展；目前世界上有1/3~1/2的能源是以各种形式的摩擦磨损消耗在各类机械传递能量的过程中，而各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上，因此非常有必要通过改善摩擦节约能源降低损耗。

生物非光滑表面具有耐摩擦磨损的性能，通过研究生物体在进化生存竞争过程中所发展来的优异摩擦学特性的表面结构，将磨损零件的表面形貌制备出生物非光滑表面，从而达到提高耐磨性能的目的；生物体系的磨损自诊断能力一直为人们所重视，如手掌的接触部分会因为摩擦而产生老茧，达到抗磨的目的；同样植物在生长的演化中，也形成了许多具有优异摩擦学特性的表面织构，如竹子的增强相结构，猪笼草的唇边抗黏附织构等。

吉林大学的研究人员在国内首先提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理论，发现竹材与穿山甲鳞片的磨粒磨损行为具有明显的方向性，磨损表面呈明显的非光滑形态；对某些海洋生物如沙滩贝壳表面的非光滑形态的研究发现，它们对承受海水的冲刷有重要作用，动物的牙齿表面的非光滑形貌也是比较典型的例子。所以通过制备生物非光滑表面形态提高材料的耐磨性能具有重要的实用价值。

专利“一种金属工件生物非光滑表面的制备装置”(申请日：2006.3.24，申请号：200610016699.6)用激光冲击成型的方法在金属工件表面制造出生物非光滑表面，并没有详细叙述激光制造生物非光滑表面的过程；专利“一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置”(申请日：2009.6.12，申请号：200910033454.8)用激光雕刻技术和激光冲击强化技术加工生物非光滑表面，其简要加工过程为，利用光纤激光器在金属工件表面雕刻出生物非光滑表面的纹理，再用YAG激光器对其进行激光冲击强化，目的是为了消除表面由于激光热效应产生的拉应力，导致表面的硬度提高，最终延长使用寿命；但是这种加工方法有几个方面的不足，第一，激光雕刻是利用激光热效应去除零件表面材料，加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的，高温改变了刻痕两侧的组织结构并产生拉应力，使其性能下降；再利用激光冲击强化表面，目的是弥补表面的性能，消除拉应力，但是激光冲击也会导致金属工件表面塑性变形，会略微改变纹理的形状；第二，先激光雕刻再激光冲击强化是复合加工过程，其工艺过程相对复杂。

发明内容

本发明的目的是要提供一种在动态应变时效温度条件下激光冲击产生塑性变形导致的在金属工件表面制备生物非光滑结构的方法和装置，利用激光冲击导致表面塑性变形的机理和相应的模具，在金属工件表面形成特定的结构形状。

本发明采用的方案为，首先利用铸造技术制造出具有一定密度、宽度、深度和角度形状的规则微观几何形貌的特定形状的模具，然后将制备的特定形状的模具放置在金属工件表面和激光冲击所需的吸收层之间，在真空加热箱中并将金属工件加热到动态应变时效温度；激光束辐照在吸收层上，产生强大冲击力，在冲击力和基体加热的共同作用下，导致部分金属工件表面产生塑性变形，形成与模具相反的图案，是激光冲击和金属工件基体加热共同产生塑性变形的结果。

本发明创造性是在动态时效温度下，利用激光冲击金属在其表面定向（定位）产生塑性变形，根据所制造模具的形状，激光冲击强化作用导致未被模具覆盖的金属材料表面产生塑性变形，而覆盖在模具之下的金属表面未出现塑性变形，这种方法可以在金属表面制造出较复杂形状的图案，满足工程中所需较复杂表面纹理的情况。

实施该方法的装置包括计算机控制系统、激光器、用来对激光束进行分束的分光系统、真空箱、表面轮廓监测装置和五轴联动工作台，真空箱位于五轴工作台上，真空箱顶端设有真空箱透视窗、真空箱内部设有加热系统、金属工件和用于测量金属工件温度的温度测量装置、金属工件固定在真空箱内部底座上，金属工件上依次设有约束层，特定形状的模具、吸收层；用耐高温密封胶将吸收层与金属工件密封并用工件专用夹具固定；表面轮廓监测装置安装在真空箱透视窗上方；计算机控制系统控制激光器、加热系统、表面轮廓监测装置和五轴联轴工作台。

本发明所述的激光参数范围为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为1-5 mm。

所述的一种生物非光滑表面的制备装置，其特征在于：所述吸收层可为美国3M公司的铝箔，其厚度为0.3 mm，所述约束层采用710型高温硅油，厚度为1-2mm。

所述的一种生物非光滑表面的制备装置，其特征在于：分光系统是利用全反镜和半反镜的不同组合方式，将单束激光分束，形成多束激光同时作用在材料表面，优点在于可以大幅度提高加工效率。

所述分光系统由四块全反镜、三块50%反射率的半反镜和四个凸透镜组成；由激光器发出的激光束通过第一全反镜改变光路方向，发生90°折射，然后通过第一半反镜将激光束分束，其能量各为原激光能量的50%，穿过第一半反镜的激光束又通过第二全反镜发生90°折射，平行的光束1和光束2分别经过第二半反镜和第三半反镜分光束和第三全反镜和第四全反镜反射，产生四条分束激光，最后通过四面凸透镜作用在金属工件表面；通过这种次序的排列组合，达到分束效果，冲击效率可以提高四倍；通过移动半反镜改变分束激光之间的间距；控制凸透镜移动，改变凸透镜和金属工件之间的距离，从而改变激光光斑的尺寸。

根据所要求的加工时间和非光滑表面的形貌，还可以设计分束激光的数量，可以大幅度提高加工效率，本例分光系统分出四束激光，经过计算采用50%的半反镜可以导致分束激光能量一致；根据分束激光的数量，选择半反镜的透射率。计算公式如下：

R为半反镜的透射率；n为该半反镜之后的半反镜数量。

由于激光冲击的作用不被破坏的前提下，特定形状的模具图案最小分辨尺寸在微米量级，并且特定形状的模具的硬度超过金属工件的硬度，并且特定形状的模具放置在金属工件表面和激光冲击所需的吸收层之间。

本发明专利的特征还在于将金属工件提高到动态应变时效温度，提高金属工件内部的位错活动，从而保证在激光冲击金属工件表面时，能够使制备的生物非光滑表面的图案深度更深。

本发明专利的特征还在于计算机控制系统能够并行控制激光器、五轴联动工作台，能够控制金属工件表面加工点和激光束的相对位置，即通过计算机控制系统编程和激光工艺参数在金属工件表面实现生物非光滑表面形貌的加工。

激光冲击和加热金属工件的生物非光滑表面制备方法具体步骤如下：

（1）        根据生物非光滑表面形貌的要求，制造出特定形状的模具，置于金属工件加工表面上，然后在该模具上方粘附一层吸收层，边缘用耐高温密封胶带密封，将待冲击金属工件置于真空箱中，注入约束层；利用计算机控制系统控制真空箱内的加热系统，对真空箱中内部环境加热，通过观测温度表控制箱内温度，将金属工件加热到动态时效温度。

（2）        根据生物非光滑表面凹模中形状的尺寸设置激光工艺参数，最终能够导致激光作用整个凹模表面，激光冲击波会穿过凹模中的空隙直接作用在金属试样表面，导致被冲击区域发生塑性变形，最终在金属工件表面形成与模具凹凸相反的图案；通过控制五轴工作台控制金属工件移动，按区域分片加工，直到整个金属工件表面加工完成。

（3）        通过表面轮廓监测装置反馈系统，测量冲击过程中表面的变形量，把信息反馈给计算机控制系统；计算机分析反馈的信息，调节激光冲击工艺参数，将指令反馈给各个控制系统。

本发明具有以下优势：

（1）        在动态应变时效温度下激光冲击辅助的生物非光滑表面制备方法，利用产生塑性变形导致的在金属工件表面制备生物非光滑结构，整个制造过程中激光冲击诱导的冲击力作为压印和塑性变形的力源，是激光冲击在金属工件表面产生塑性变形的结果。

（2）        分光系统可以将单束激光分成多束，并且可以调节光束之间的距离、光斑半径等参数，大幅度提高加工效率。

（3）        将金属工件加热到动态应变时效温度，再利用激光对其冲击，动态应变时效中发生的溶质原子与位错的交互作用形成均匀分布、高密度的位错组态，使材料的强度提高；并且动态应变时效温度能够使压印深度更深，多次激光冲击能够加深生物非光滑表面的图案深度。

（4）        直接利用激光冲击产生的冲击波强化金属工件表面，可以大幅度提高材料表面的残余应力和硬度，从而直接的增大了其耐磨性。

附图说明

图1为模具和表面冲击成形后的形貌；

图2为激光经分光系统分束后的冲击顺序；

图3为磨损后的微观形貌；

图4为激光冲击成形制备生物非光滑表面机构装置的示意图；

图5为冲击成形前金属工件的准备图；

图6为冲击成形区域的应力分布图；

图7，为分光系统中半反镜和全反镜的分布；

图中，1计算机控制系统，2激光器，3加热系统，4表面轮廓监测装置，5激光束，6分光系统，7分束激光，8真空箱透视窗，9金属工件，10温度测量装置，11真空箱，12隔热层，13夹具，14底座，15五轴联动工作台，16工件专用夹具，17密封胶带，18吸收层，19模具，21约束层。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

用本发明进行激光冲击和加热金属工件的生物非光滑表面制备的装置包括包括计算机控制系统1、激光器2、用来对激光束进行分束的分光系统6、真空箱11、表面轮廓监测装置4和五轴联轴工作台15，真空箱11位于五轴工作台15上，真空箱11的顶端设有真空箱透视窗8、真空箱11内部设有加热系统3、金属工件9和用于测量金属工件温度的温度测量装置10、金属工件9固定在真空箱11内部的底座14上，金属工件9上依次设有吸收层18、特定形状的模具19和约束层20并用工件专用夹具16固定；用耐高温密封胶带17将吸收层18与金属工件9密封；表面轮廓监测装置4安装在真空箱透视窗8上方；计算机控制系统1控制激光器2、加热系统3、表面轮廓监测装置4和五轴联轴工作台15。

按照上述的方法制备金属工件，在金属工件9表面上方依次放置特定形状的模具19和吸收层铝箔18，再用耐高温密封胶带17将吸收层18与金属工件9密封，打开真空箱透视窗8，将金属工件9装夹在固定在真空箱11中的工件专用夹具16上，用工件专用夹具16夹紧模具19和金属工件9，再将真空箱11固定在五轴联动工作台15上，通过计算机控制系统1控制五轴工作台15移动真空箱11，向真空箱11内注710高温硅油，至液面高于吸收层18的1-2 mm，关闭真空箱透视窗8；利用计算机控制系统1控制真空箱11内的加热系统，对真空箱11中内部环境加热，通过观测温度表10控制箱内温度，将金属工件9加热到动态时效温度。

由计算机控制系统1控制激光发生器2发出能量在12 J、持续时间为8-30 ns的激光脉冲，并由计算机控制系统1控制分光系统6调节光斑大小，分光系统6中的半反镜可以移动并控制相邻两个光束之间的距离，通过计算得出光斑的最小直径，由此冲击可以保证冲击区域无盲点；例如，控制两个光束之间的距离为8 mm，光斑最小半径应为2.83 mm；由表面轮廓监测装置4监测表面形貌，并把监测数据返回计算机控制系统1，并通过计算机控制系统1控制五轴联动工作台15的移动，调整经分光系统6的发出的分束激光7和金属工件9的相对位置；计算机控制系统1还可根据冲击监测装置4的信号确定下一步的冲击过程。

实施实例

通过观察蜣螂凹坑表面形貌和贝壳凹坑表面形貌，设计模具如图1所示；该模具采用铸造技术中的消失模铸造方法，根据设计模具图中的尺寸，采用泡沫塑料进行造型，然后在模型表面刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使泡沫模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件，制成仿蜣螂凹坑表面模具。

本例采用的材料为AISI 8620钢，其动态时效温度为350℃，采用图4系统在AISI 8620钢试样表面制备非光滑表面，AISI 8620钢试样表面制备如图5所示，AISI 8620钢试样上依次设有仿蜣螂凹坑表面模具、吸收层3M铝箔；采用710型耐高温硅油为约束层，确保油面高出AISI 8620钢试样表面1-2 mm。

按照上述方法准备待冲击AISI 8620钢试样，用工件专用夹具将仿蜣螂凹坑表面模具固定在真空箱中，然后向真空箱中注710高温硅油，待油面高于吸收层铝箔1-2 mm，关闭真空箱透视窗，将箱内抽至真空；利用计算机控制系统控制五轴联动工作台移动真空箱，进入冲击区域；利用计算机控制系统启动加热系统，通过观测温度表控制真空箱内的温度；当温度达到350℃时，加热系统进入保温模式以保证箱内温度维持在350℃左右；采用激光器对AISI 8620合金钢试样表面进行激光冲击成形处理，由计算机控制系统控制激光发生器发出能量为12 J、持续时间为8-30 ns的激光脉冲，光斑直径为3mm，本例采用图7所示的组合分光系统，分光系统由四块全反镜、三块50%反射率的半反镜和四个凸透镜组成；由激光器发出的激光束通过第一全反镜改变光路方向，发生90°折射，然后通过第一半反镜将激光束分束，能量各为原激光能量的50%，穿过第一半反镜的激光束2又通过第二全反镜发生90°折射，平行的光束1和光束2分别经过第二半反镜和过第三半反镜分光束和第二全反镜和第三全反镜反射，产生四条分束激光，最后通过四面凸透镜作用在AISI 8620合金钢试样表面；通过改变半反镜和全反镜的移动改变分束激光之间的间距，控制凸透镜移动改变凸透镜和AISI 8620合金钢试样表面的距离改变激光光斑的尺寸，保证冲击区域无盲点，搭接冲击顺序如图2所示，采用这种冲击方式可以保证整个表面接受激光冲击作用；在动态应变时效温度下，分束激光透过约束层辐照到吸收层上引起吸收层的汽化、电离形成冲击波，超强冲击波透过覆盖在AISI 8620合金钢试样表面的模具中的空隙作用在AISI 8620合金钢试样表面上，即是激光冲击波诱导的塑性变形，获得与模具凹凸相反的图案；通过控制五轴联动工作台控制AISI 8620合金钢试样移动，按区域分片加工，直到整个AISI 8620合金钢试样表面加工完成。

采用Veeco表面轮廓仪测量微凹孔深度约为12.7 um；如图3所示，具有仿生表面试样的磨痕较浅，而未处理试样表面有较深磨痕，磨损较为严重；在磨损过程中，这种生物非光滑表面上的凹坑会有储油功能，可以及时对摩擦副补给润滑油，保证摩擦副之间的油膜形成，可以大幅度降低表面磨损；由于激光冲击强化的作用，非光滑区域都存在较大的残余压应力，如图6所示，采用ABAQUS有限元分析软件对非光滑表面残余压应力值进行模拟，激光冲击区域的最大残余压应力值约为350 MPa，与实际测量相符；非光滑表面所具备的条件有效降低表面磨损，提高零件的耐磨性。