專利名稱：微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，為了減輕飛機(jī)、汽車零部件的重量，鋁合金的使用量逐年增加，鋁合金零 部件的加工也變得越來越重要。由于鋁合金熔點(diǎn)偏低且延展性高，切削時(shí)刀具刃部極易發(fā) 生粘刀現(xiàn)象，不僅影響到被加工工件的表面粗糙度，而且刀具早期破損現(xiàn)象嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能 達(dá)到預(yù)期的使用壽命。類似這樣的刀具的早期劇烈磨損，在航空航天、能源等領(lǐng)域使用的高 溫鋁合金零部件等難加工材料的高速切削過程中并不鮮見，已成為影響裝備制造業(yè)發(fā)展的 重要問題。解決鋁合金切削過程中刀具磨損和切屑粘附的有效方法之一是對刀具供給足夠 的切削液，然而大量使用切削液卻帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，許多國家已經(jīng)把切削液列 為危險(xiǎn)性的廢料，國際環(huán)境保護(hù)組織也調(diào)整了切削液的排放策略。實(shí)際上，切削液排放不但 帶來環(huán)境問題，還消耗了大量制造成本。研究發(fā)現(xiàn)，近年來潤滑液的成本已經(jīng)由切削總成本 的3%上升至16.9%，遠(yuǎn)高于刀具成本(占總成本的7.5%)。因此，最近幾年微量潤滑切 削的概念逐漸被提倡。如何在微量潤滑的情況下消除或減輕刀具的磨損，這是目前切削加 工中面臨的一個(gè)重要問題。刀具表面涂覆技術(shù)給切削領(lǐng)域帶來了革命性的變化，目前工業(yè)生產(chǎn)中50%的高速 鋼刀具、85%的硬質(zhì)合金刀具、40%的超硬刀具都采用了涂層化技術(shù)。刀具涂層技術(shù)的發(fā)展 降低了切削過程對切削液的依賴程度，目前，國際上對涂層刀具的研究工作大都屬于材料 的范疇，主要集中在涂層的化學(xué)組分和結(jié)合性能以及相關(guān)涂層材料的制備方面。實(shí)際上，涂 層的表面特性(如摩擦特性)還可以通過改變涂層的表面物理結(jié)構(gòu)或形貌實(shí)現(xiàn)。如果能夠 在現(xiàn)有先進(jìn)涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)刀具表面的三維結(jié)構(gòu)化，則有望進(jìn)一步提高刀具表面 的摩擦學(xué)特性。表面織構(gòu)技術(shù)就是通過改變材料表面的物理結(jié)構(gòu)來改善材料表面特性的方法。刀 具表面織構(gòu)化，是在刀具表面或刀具涂層表面的特定位置上加工出各種圖形的微結(jié)構(gòu)陣 列，通過改變刀具表面的摩擦學(xué)特性來提高刀具的使用壽命。微米量級織構(gòu)能夠捕獲切屑 來減少磨損，而納米量級織構(gòu)在阻斷切屑對刀具表面的剪切方面更為有效，兩種尺寸量級 織構(gòu)的組合則可能綜合二者的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高刀具耐磨性能。目前受微加工技術(shù)所限， 已有刀具表面織構(gòu)技術(shù)中，所形成的微結(jié)構(gòu)大都在亞毫米級到幾十微米級的尺寸范圍內(nèi)， 很難獲得微米和納米級尺度的結(jié)構(gòu)。另外，由于現(xiàn)有大部分刀具材料去除方法都存在嚴(yán)重 的熱作用和較大的熱影響區(qū)，因此這些技術(shù)用于涂層表面織構(gòu)化時(shí)會(huì)造成大范圍的涂層脫 落和失效，限制了涂層技術(shù)與表面織構(gòu)化技術(shù)的結(jié)合。由于已有的表面織構(gòu)化技術(shù)難以形 成微納跨尺度織構(gòu)，且會(huì)造成刀具涂層的脫落和失效，若能對刀具表面和刀具涂層表面進(jìn) 行跨尺度范圍無熱影響區(qū)的織構(gòu)化，將有助于大幅提升切削刀具的潤滑、抗磨損、抗粘附能力，延長刀具使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的 飛秒激光制備方法，采用飛秒激光對涂層刀具表面進(jìn)行微米到納米級跨尺度織構(gòu)化，改善 刀具的抗磨損性能，提高其使用壽命，提高刀具使用性能開拓新的途徑，有望實(shí)現(xiàn)高速高精 度微潤滑切削，并解決鋁合金的切削加工難問題，提高制造業(yè)的整體水平。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)解決方案利用飛秒激光能加工任意材料、微納尺度精確加工以及無熱影響的特性，在涂層 刀具表面待加工的位置加工所需面積的織構(gòu)或利用飛秒激光在刀具表面待加工的位置直 接加工所需面積的織構(gòu)，然后在織構(gòu)過的刀具表面蒸鍍涂層，該織構(gòu)由以下三種結(jié)構(gòu)群組 成尺寸在1 μ m 200 μ m的微米結(jié)構(gòu)、尺寸在50nm 1 μ m的納米結(jié)構(gòu)或微米與納米的復(fù)
合結(jié)構(gòu)。所說的利用飛秒激光在涂層刀具表面待加工的位置加工所需面積的織構(gòu)的具體 步驟如下1)首先，在刀具基體表面進(jìn)行涂層蒸鍍；2)其次，在蒸鍍過涂層的刀具表面，用飛秒激光燒蝕去除的方法在涂層刀具表面 待加工的位置加工所需面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成的槽結(jié)構(gòu)群 的表面上掃描出均勻的織構(gòu)。刀具涂層表面直接織構(gòu)化的過程中，當(dāng)所需織構(gòu)深度超過涂層厚度時(shí)，飛秒激光 將同時(shí)加工涂層材料和基底材料，而基材和涂層的材料物理特性相差較大，使得雙層材料 的飛秒激光燒蝕去除難度加大，精度不易控制。同時(shí)，織構(gòu)過刀具表面會(huì)出現(xiàn)涂層的不連 續(xù)?；谏鲜鲈?，本發(fā)明提出了兩步微納復(fù)合織構(gòu)法，其加工步驟如下1)首先，用飛秒激光燒蝕去除的方法在未涂層的刀具基體表面待加工的位置加工 所需面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；2)其次，在加工有槽結(jié)構(gòu)群的刀具基體表面蒸鍍涂層；3)最后，在涂層表面采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成 的槽結(jié)構(gòu)群的表面上掃描出均勻的織構(gòu)。本發(fā)明中，刀具表面的織構(gòu)有如下特征分布位置在前刀面或后刀面；排列方向 沿切屑流動(dòng)方向或垂直于切屑流動(dòng)方向；微結(jié)構(gòu)的尺寸在幾百微米到幾百納米范圍內(nèi)；形 狀分孔織構(gòu)、平行槽織構(gòu)和正交槽織構(gòu)。本發(fā)明利用飛秒激光與材料之間相互作用的獨(dú)特性質(zhì)，在刀具表面進(jìn)行微納織構(gòu) 以及微/納復(fù)合織構(gòu)制備，操作簡單，精度可控。對于涂層刀具，可采用涂層表面直接織構(gòu) 法或兩步復(fù)合織構(gòu)法來進(jìn)行微/納復(fù)合織構(gòu)的制備。本發(fā)明克服了以往刀具織構(gòu)技術(shù)僅在 微米尺度織構(gòu)化的單一性，可進(jìn)一步改善刀具的抗磨損性能，提高其使用壽命。


圖1為刀具表面織構(gòu)示意圖。
圖2為刀具表面織構(gòu)特征示意圖，其中圖2a為微米級織構(gòu)結(jié)構(gòu)，圖2b為納米級織 構(gòu)結(jié)構(gòu)，圖2c為微納復(fù)合織構(gòu)結(jié)構(gòu)。圖3為飛秒激光加工出的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的電鏡圖片。圖4為圖3中微米結(jié)構(gòu)內(nèi)部放大圖，即在微米槽內(nèi)遍布著納米結(jié)構(gòu)。圖5為涂層表面直接微納織構(gòu)方法，其中a為涂層蒸鍍，b為飛秒激光織構(gòu)化，其 中包括c大深度織構(gòu)和d小深度織構(gòu)。圖6為兩步微納復(fù)合織構(gòu)方法，其中a為刀具基材微米織構(gòu)化，b為刀具涂層蒸鍍， c為涂層刀具納米織構(gòu)化。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式參見附圖。刀具表面織構(gòu)就是在刀具的前刀面或后刀面上某一待加工的位置刻 劃出各種圖形的微結(jié)構(gòu)陣列即織構(gòu)區(qū)域，其排列方向?yàn)檠厍行剂鲃?dòng)方向或垂直于切屑流動(dòng) 方向；形狀分孔織構(gòu)、平行槽織構(gòu)和正交槽織構(gòu)，如圖1所示。其中微米量級織構(gòu)能夠捕獲 切屑，而納米量級織構(gòu)有助于阻斷切屑對刀具表面的剪切，微納復(fù)合織構(gòu)將兩種作用相結(jié) 合，能夠大幅度提高刀具的抗磨損性能和使用壽命。參見圖2a，微米級織構(gòu)的特征尺寸在 1 μ m 200 μ m，參見圖2b，納米級織構(gòu)的特征尺寸在50nm Ιμπι范圍內(nèi)，參見圖2c，微納 復(fù)合織構(gòu)則是在微米織構(gòu)的內(nèi)部和附近區(qū)域分布規(guī)則的納米織構(gòu)。圖3中飛秒激光在刀具基材上加工出了微納復(fù)合織構(gòu)，將其中一個(gè)微米槽放大后 觀測發(fā)現(xiàn)，槽內(nèi)表面上分布著整齊的納米槽，周期約300nm(圖4)。飛秒激光對涂層刀具進(jìn) 行微納復(fù)合織構(gòu)化的方法有兩種一是涂層表面直接織構(gòu)(圖5)，其步驟為1)首先，在刀具基體表面進(jìn)行涂層蒸鍍；2)其次，在蒸鍍過涂層的刀具表面，用飛秒激光燒蝕去除的方法在涂層刀具表面 待加工的位置加工所需面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成的槽結(jié)構(gòu)群 的表面上掃描出均勻的織構(gòu)。從圖5中可以看出，當(dāng)微米織構(gòu)的深度大于涂層厚度時(shí)，織構(gòu)化后存在涂層不連 續(xù)現(xiàn)象，容易造成涂層的剝落失效。第二種方法是兩步微納復(fù)合織構(gòu)(圖6)，其步驟為1)首先，用飛秒激光燒蝕去除的方法在未涂層的刀具基體表面待加工的位置加工 所需面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；2)其次，在加工有槽結(jié)構(gòu)群的刀具基體表面蒸鍍涂層；3)最后，在涂層表面采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成 的槽結(jié)構(gòu)群的表面上掃描出均勻的織構(gòu)。這種方法避免了雙層材料的同時(shí)加工，且保證了涂層薄膜的連續(xù)性。
權(quán)利要求
微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，其特征在于利用飛秒激光在涂層刀具表面待加工的位置加工所需面積的織構(gòu)或利用飛秒激光在刀具表面待加工的位置直接加工所需面積的織構(gòu)，然后在織構(gòu)過的刀具表面蒸鍍涂層，該織構(gòu)由以下三種結(jié)構(gòu)群組成尺寸在1μm～200μm的微米結(jié)構(gòu)、尺寸在50nm～1μm的納米結(jié)構(gòu)或微米與納米的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，其特征在于所 說的利用飛秒激光在涂層刀具表面待加工的位置加工所需面積的織構(gòu)的具體步驟如下1)首先，在刀具基體表面進(jìn)行涂層蒸鍍；2)其次，在蒸鍍過涂層的刀具表面，用飛秒激光燒蝕去除的方法在涂層刀具表面待加 工的位置加工所需面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成的槽結(jié)構(gòu)群的表 面上掃描出均勻的織構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，其特征在于利 用飛秒激光在刀具表面待加工的位置直接加工所需面積的織構(gòu)的具體步驟如下1)首先，用飛秒激光燒蝕去除的方法在未涂層的刀具基體表面待加工的位置加工所需 面積的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)或微米與納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的槽結(jié)構(gòu)群；2)其次，在加工有槽結(jié)構(gòu)群的刀具基體表面蒸鍍涂層；3)最后，在涂層表面采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成的槽 結(jié)構(gòu)群的表面上掃描出均勻的織構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)表面制備及激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是提供了一種微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，利用飛秒激光與材料之間相互作用的獨(dú)特性質(zhì)，在刀具表面進(jìn)行微納織構(gòu)以及微/納復(fù)合織構(gòu)制備，操作簡單，精度可控。對于涂層刀具，可采用涂層表面直接織構(gòu)法或兩步復(fù)合織構(gòu)法來進(jìn)行微/納復(fù)合織構(gòu)的制備。本發(fā)明克服了以往刀具織構(gòu)技術(shù)僅在微米尺度織構(gòu)化的單一性，可進(jìn)一步改善刀具的抗磨損性能，提高其使用壽命。
文檔編號(hào)B23P15/28GK101804551SQ20101012473
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者丁明江, 姜歌東, 楊成娟, 梅雪松, 王恪典, 王文君 申請人:西安交通大學(xué)