一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；步骤二、去除所述熔化区域；步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。本发明专利技术通过杂质调控，选取杂质已被迁移至表层熔化区域的亚表层提纯区域进行超精密加工，从而避免金属杂质带来的表面质量缺陷，获得更高质量的加工表面。获得更高质量的加工表面。获得更高质量的加工表面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法


[0001]本专利技术属于材料加工领域，涉及金属的表面加工技术，尤其是一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法。

技术介绍

[0002]各类金属材料(如铝、铜、金、银及其合金等)在国民经济各个领域都有广泛的应用。例如，在光学成像中，各类反射镜保证了光源的集合与发散。空间光学遥感卫星、高分辨率光学成像等光学系统广泛使用铝、铜合金反射镜【李荣彬，张志辉，杜雪，等.自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术，机械工程学报，2010，46(11)：137
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148.】，这些重要的应用需求也对金属的表面质量提出了严格的技术要求。然而，杂质不可避免的会存在于待加工金属之中，这些杂质因为膨胀系数、腐蚀性、耐酸碱性等不同，影响金属表面加工质量，在超精密加工表面高质量的需求中问题尤为凸显。去除金属内杂质，获取高纯度金属材料的时间成本、价格成本昂贵。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于金属表层区域熔炼调控提升金属表面加工质量的新方法，针对金属器件低表面粗糙度、高面形质量的表面需求以及杂质在材料的固体和液体状态中溶解度的差别，提出采用表层区域熔炼调控金属表层杂质分布的新方法来实现金属材料的高效、高精度、超光滑表面的超精密加工。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；
[0007]步骤二、去除所述熔化区域；
[0008]步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。
[0009]进一步的，步骤一所述使金属表面快速熔化的方法为激光加热、感应放电等离子体加热、热电阻加热、离子束加热的一种或两种以上方法组合使用。
[0010]进一步的，步骤一所述使金属表面为全部表面或部分表面，如果是部分表面，采用子口径局部处理的方式，如果是全部表面可采用子口径扫描处理或者整面处理的方式。
[0011]进一步的，步骤一所述快速冷却金属表面的方法为采用液氮冷却、酒精冷却、切削液冷却、去离子水冷却、压缩空气冷却中的一种或两种以上方法组合使用。
[0012]进一步的，步骤二所述去除所述熔化区域的方法采用车削、飞切、铣削、磨削、刨削、化学腐蚀的一种或两种以上方法组合。
[0013]进一步的，步骤三所述超精密加工采用超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超
精密磨削、超精密刨削的一种或两种以上方法组合使用。
[0014]进一步的，在步骤一之前，对金属做预处理，使其达到去除氧化层等杂质层、暴露出基底材质的表面。
[0015]进一步的，在步骤一之前，对金属内杂质粒子成分进行元素及存在状态(化合物/单质成分/混合物)检测分析，确定表层区域熔炼深度及调控时间。
[0016]金属中的杂质在金属基体的不同温度状态下的溶解度具有显著差异(平均分配系数不同)，当平均分配系数大于1时，杂质在固态金属中的溶解度大于在熔融态金属中，杂质将不与熔区同时移动，但在提纯相变过程中受熔析析出影响，最终会在固相中富集并集中于样品的端部；当平均分配系数小于1时，杂质在固态金属中的溶解度小于在熔融态金属中，这些杂质将会随着熔区一同移动，最终被富集于样品的末端而被脱除。
[0017]本专利技术通过加热金属样品表面发生热效应实现表层区域的快速熔化，由于金属器件中杂质的平均分配系数不同，平均分配系数小于1的杂质会从未熔化区域向熔化区域迁移。此时采用冷却方式迅速冷却样品表面，固化杂质分布。杂质调控后，选取杂质已被迁移至表层熔化区域的亚表层提纯区域进行超精密加工，从而避免金属杂质带来的表面质量缺陷，获得更高质量的加工表面。
[0018]本专利技术的优点和有益效果：
[0019]1、本专利技术提供了一种高效、高精度的金属元件超光滑表面加工新方法，此方法提升了含有平均分配系数小于1杂质的金属材料的可加工性。
[0020]2、本专利技术采用表层区域熔炼调控辅助超精密加工的方法，可以有效实现金属元件高质量表面加工。
[0021]3、本专利技术所提出的方法不但可以应用于平面加工，也可以应用于曲面加工、微结构加工。
附图说明
[0022]图1为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工原理图。
[0023]图2为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工工艺过程。
[0024]图3为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工过程示意图。
[0025]图4为6061铝合金金属杂质含量检测数据及样品图。
[0026]图5为感应放电加热炬及等离子体红外测温检测图像。
[0027]图6为金属表层区域熔炼前超精密车削铝合金表面白光测量图像。
[0028]图7为金属表层区域熔炼后超精密车削铝合金表面白光测量图像。
具体实施方式
[0029]下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。
[0030]本专利技术以6061铝合金为例，采取金属表层区域熔炼辅助超精密加工的方法，提出了金属的高效、高面形精度、低表面粗糙度的加工工艺方法。本专利技术实施例采用子口径感应等离子体加热和超精密加工系统来实现金属表面加工。
[0031]图1为本专利技术采用的技术方案原理图。首先，采用包含但不限于激光加热、感应放
电等离子体、热电阻加热、离子束加热金属样品表面发生热效应实现表层区域的快速熔化，使其在热作用下表面熔融，由于热源位于样件表面，形成自上而下的热梯度，这就导致了在熔炼层的杂质分布在表层富集，并且在固液交接界面平均分配系数小于1的杂质粒子会向上析出。然后通过快速冷却(如空冷、酒精冷却)等手段实现熔炼层凝固，形成平均分配系数小于1杂质梯度富集层以及富集层下的析出提纯层。再配合后续表面加工(如超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削等)手段加工位于杂质富集层下的杂质提纯层，显著降低了杂质对于金属表面的加工质量影响，完成高质量金属表面加工。
[0032]图2为本专利技术采用的主要工艺流程。首先，对金属坯料进行切割、研磨等预处理，得到金属毛坯材料；对金属胚料杂质粒子成分进行X射线衍射检测分析，确定杂质元素种类、含量，通过红外光谱/EBSD/拉曼光谱等检测分析杂质化合物性杂质官能团的组成、单质性杂质分布、进而确定各杂质的状态为化合物/单质成分/混合物及相关含量，通过文献资料确定各杂质的平均分配系数大小，根据平均分配系数与1的差距大小、杂质成分含量不同综合确定表层区域熔炼深度及调控时间，对金属毛坯进行表层区域的熔炼处理，包含但不限于激光加热、感应放电等离子体、热电阻加热、离子束加热金属样品表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；步骤二、去除所述熔化区域；步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述使金属表面快速熔化的方法为激光加热、感应放电等离子体加热、热电阻加热、离子束加热的一种或两种以上方法组合使用。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述金属表面为金属的全部表面或部分表面。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述快速冷却金属表面的方法为采用液氮冷却、酒精冷却、切削液冷却、去离子水冷却、压缩空气冷却中的一种或两种以上方法组合使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，吕鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：