本发明专利技术公开了一种激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，步骤如下：(1)在构件的表面均匀涂覆碳源，借助二氧化碳激光器发射激光束并连续辐照碳源表面，将其转化为石墨烯或活性炭层；(2)在碳层上方铺设约束层；(3)采用飞秒激光器发射脉冲激光束，并采用加热激光器发射连续激光束，保证两束激光光斑中心重合且辐照于碳层表面；(4)将三维数控移动平台或者激光器至下一强化位置开展激光冲击复合强化作业。本发明专利技术可在易损构件外表面诱导生成纳米金刚石颗粒，形成压缩应力层，实现高硬度金刚石的直接强化，同时细化构件表面晶粒，并产生沿厚度方向梯度分布的晶粒组织，能够在不牺牲材料延展性的同时，有效提升材料的强度。有效提升材料的强度。有效提升材料的强度。
【技术实现步骤摘要】
激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法
[0001]本专利技术涉及材料表面改性
，具体涉及一种激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法。
技术介绍
[0002]纳米金刚石是一种多功能材料，因其具备优异的热力学性能，被广泛应用于生物传感器、量子计算、燃料电池及计算机芯片等领域，此外纳米金刚石作为复合材料的弥散增强相，能够显著提升金属基材的综合力学性能。工程上，纳米金刚石可被直接或间接应用于易损构件的表面强化，提升构件的强度及摩擦学性能，如王西涛等人(公开号：CN101728279A)提出了一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，通过添加单晶金刚石颗粒，并与高导热金属Al复合化，可获得综合力学性能优异的电子封装材料，但这种金刚石强化机制的工艺流程繁琐，等离子体烧结往往需要与材料适配性较好的温度及压力。姚锦元等人(公开号：CN1896303A)提出了一种采用化学气相沉积在钽喷丝头表面制备金刚石薄膜的强化方法，有效提升了钽喷丝头表面的硬度及耐碱腐蚀能力，但该方法需要严格的压力、碳源浓度及温度要求。综上所述，将金刚石直接或间接应用于材料强化具有明确意义的可行性。
[0003]由于石墨向金刚石转变所需的活化能很高，且金刚石特殊的碳结构属性使其在高温下的热稳定性较差，通过石墨直接高效合成金刚石材料是一项极大的挑战。随着科学技术的发展，相关领域的学者已经逐渐积累起了一系列的金刚石制备方法，总体而言，可分为两大类：一类是使得金刚石稳定区内的非金刚石碳向金刚石转变，这类金刚石的制备往往需要高温高压条件，如任旭东等人(公开号：CN103409746A)提出了一种利用毫秒激光器熔覆纳米金刚石复合涂层的方法，将微晶石墨粉和触媒粉的按比例混合，并采用高能量密度的激光辐照，获得了具备结合强度高、组织细小的高自润滑耐磨涂层；另一类是金刚石亚稳定区内激活的碳基团重新聚集进而形成金刚石，这类金刚石的制备方法在低压条件下即可实现，如金曾孙等人(公开号：CN1091996A)提出了一种采用化学气相沉积的方法在高压环境下以表面改性石墨为原料制备金刚石晶种的方法，得到了生长数量及尺寸可控的大颗粒高压金刚石，相比于传统的金刚石合成压力，该方法可使得金刚石的合成压力降低0.5GPa，提升了金刚石的转化效率和粗粒度。综上所述，现阶段由石墨合成金刚石往往需要极端的作业环境，如大于2000K的高温及大于10GPa的高压，也正是由于这些极端作业环境，上述金刚石的制备方法往往对应着高成本和低产量。因此如何经石墨高效合成纳米金刚石已成为现阶段制约金刚石在表面强化领域的进一步应用的主要技术瓶颈之一。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，可通过激光诱导合成金刚石的同时，实现对构件表面的直接或间接强化，提升易损构件表面的综合力学性能。
[0005]本专利技术实现目的是提供一种激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，其特征在于：包含以下步骤：
[0006](1)在构件的表面均匀涂覆碳源，借助二氧化碳激光器发射激光束并连续辐照碳源表面，将其转化为石墨烯或活性炭层；
[0007](2)在碳层上方铺设约束层；
[0008](3)采用飞秒激光器发射脉冲激光束，并采用加热激光器发射连续激光束，保证两束激光光斑中心重合，且辐照于碳层表面；
[0009](4)将三维数控移动平台或者激光器至下一强化位置开展激光冲击复合强化作业。
[0010]作为优选方案，所述步骤(1)中，在待强化构件的表面均匀涂覆一层碳源，所述均匀涂覆方式包括刷涂法、喷涂法、浸涂法、刮涂法、滚涂法、注入法及热熔法，目的是实现碳源在易损构件表面的高效、均匀涂覆；二氧化碳激光器辐照前，需采用加热平台加热固化碳源，加热温度不高于200℃，加热时间不超过15min。
[0011]更进一步地，所述步骤(2)中，在石墨烯上方铺设约束层，所述约束层包括BK
‑
7玻璃或石英玻璃。
[0012]更进一步地，所述步骤(3)中，采用加热激光器发射连续激光束，所述加热激光器为波长高于400nm的加热激光器，该激光器用于提供辅助热源。
[0013]更进一步地，所述步骤(3)中，飞秒脉冲激光器的工艺参数包括电压、电流、激光频率、激光能量、激光波长、激光脉宽及光斑大小；半导体激光器的工艺参数包括激光作用距离及激光光斑大小。
[0014]优选地实施方案如：所述步骤(1)中，碳层的厚度范围为1～10mm；所述步骤(3)中，飞秒脉冲激光器的波长为248nm，脉宽为25ns，脉冲能量为300mJ/Hz；半导体激光器的工艺参数包括激光作用距离及激光光斑大小。
[0015]本专利技术的强化机理如下：
[0016]飞秒脉冲激光是利用飞秒脉冲激光器产生的频率可调的非连续性激光束，激光束辐照在材料表面时，与材料发生相互作用，使得材料表层发生电离并产生等离子体爆炸，进而产生数GPa的激光冲击压力，产生纳米金刚石颗粒。加热激光器既可实现构件表面的局部精确加热，又能够减小构件的有害残余应力，还能有效提升激光诱导合成纳米金刚石的数量。飞秒激光器产生的脉冲激光与加热激光器产生的激光同时作用在CO2激光器制备的碳层上，一方面，诱导生成了纳米金刚石颗粒，实现了附着于易损构件外表面高硬度金刚石的直接强化，另一方面，碳层表面发生烧蚀并产生等离子体，在透明约束层的作用下，等离子体扩散受阻，并产生高强度的应力冲击波，冲击波作用到金刚石颗粒后，纳米金刚石颗粒对基材有一个强化作用，致使基材表面晶粒细化，并在基材表面形成压缩应力层，实现了强化区域晶粒尺寸由表及里的梯度分布，能够在不牺牲材料延展性的同时，有效提升材料的强度。
[0017]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0018](1)飞秒脉冲激光器产生的脉冲激光能够诱导碳层产生纳米金刚石颗粒；
[0019](2)脉冲激光产生的冲击波压力作用于金刚石颗粒表面，使金刚石与待强化的构件表面及亚表面产生牢固的机械咬合，能有效提升构件表层硬度及摩擦学性能；
[0020](3)加热激光器既可实现构件表面的局部精确加热，又能减小构件的有害残余应力，还能有效提升激光诱导合成纳米金刚石的产量；
[0021](4)通过采用本专利技术的激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，能够在易损构件外表面生成纳米金刚石颗粒，并经由纳米金刚石颗粒在构件表层产生晶粒尺寸梯度分布的微结构，在不牺牲材料延展性的同时，有效提升材料表面的强度。
附图说明
[0022]图1为本专利技术激光制备碳层的方法示意图。
[0023]图2为本专利技术激光诱导合成纳米金刚石的复合强化的方法示意图。
[0024]图3为本专利技术金刚石梯度微结构的强化效果示意图。
[0025]图中：待强化构件1；碳源2；加热平台3；二氧化碳激光器4；碳层5；密封腔室6；透明约束层7；真空泵8；三维数控移动平台9；飞秒脉冲激光器10；半导体激光器11；纳米金刚石颗粒12；强化区域13。
具体实施方式
本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)在构件的表面均匀涂覆碳源，借助二氧化碳激光器发射激光束并连续辐照碳源表面，将其转化为石墨烯或活性炭层；(2)在碳层上方铺设约束层；(3)采用飞秒激光器发射脉冲激光束，并采用加热激光器发射连续激光束，保证两束激光光斑中心重合，且辐照于碳层表面；(4)将三维数控移动平台或者激光器至下一强化位置开展激光冲击复合强化作业。2.根据权利要求1所述的激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在待强化构件的表面均匀涂覆一层碳源，所述均匀涂覆方式包括刷涂法、喷涂法、浸涂法、刮涂法、滚涂法、注入法及热熔法，目的是实现碳源在易损构件表面的高效、均匀涂覆；二氧化碳激光器辐照前，需采用加热平台加热固化碳源，加热温度不高于200℃，加热时间不超过15min。3.根据权利要求1或2所述的激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在石墨烯上方铺设约束层，所述约束层包括BK
‑
7玻璃或石英玻璃。4.根据权利要求1或2所述的激光诱导合成纳米金刚石的复合强化方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡耀武，张啸寒，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。