【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光，尤其涉及一种齿轮钢及其表面的改性方法和应用。
技术介绍
1、轮毂电机传动齿轮形状复杂，材料硬度高，是摩擦磨损发生最为常见的零部件，是传动阻力能量损失的主要来源。表面织构技术作为一种能够有效改善传动齿轮摩擦性能的改性手段，逐渐成为国内外最具潜力的研究方向之一。
2、传统表面织构技术，诸如纳米压印、等离子刻蚀、电火花加工等，实施条件苛刻、时耗长、成本高。激光作为一种高效复杂表面织构方法，已广泛用于传动齿轮表面微纳米结构制造，不仅能有效克服传统制备方法时耗长、加工难等问题，而且其制备的周期线条结构能够有效减小传动齿轮表面阻力、降低摩擦能量损耗，为增强轮毂电机性能提供新的解决方案。然而，现有激光织构技术通常基于光与物质直接相互作用相态爆炸机理实现周期线状结构制造，其表面常常会附着大量杂散纳米颗粒，且结构的尺度通常局限于微米量级，尽管其能够在一定程度上减少摩擦阻力降低能量损耗，但仍无法实现纳米尺度光滑线状结构制造，使得摩擦减阻降耗效果仍然不佳。
3、为了实现激光制备传动齿轮表面光滑微纳米结构，一种做法是利用较大激光能量与材料相互作用形成熔池，在熔池中进行激光能量控制，从而控制熔池起伏，当熔池冷凝后便形成光滑微结构。尽管该方法能够实现较光滑金属表面微结构制造，但其结构尺度通常局限于微米量级，无法实现纳米尺度结构的可控制造。另一种做法是通过调控激光能量使其在样品表面同步刻划出间距几十纳米微槽结构，经过化学腐蚀分解表面附着纳米颗粒后，获得光滑纳米线状结构，然而其仅适用于硅等半导体材料，传动齿轮金属表面
4、由此可见，上述两种光滑结构制备方法，基于熔池微织构制备金属表面微结构尽管表面光滑但其织构尺度受限于微米量级，难以实现纳米量级结构制造，其降低摩擦效果不明显。基于两侧划刻实现纳米线结构的方法，尽管能够实现光滑纳米线制造，但步骤复杂仅适用于部分半导体材料。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题中的至少之一，本专利技术提供了一种齿轮钢及其表面的改性方法和应用。采用飞秒激光真空低温速冷诱导的方法制备表面具有光滑周期纳米线结构的齿轮钢。
2、作为一个方面，本专利技术提供了一种齿轮钢表面的改性方法，采用激光真空冷却诱导的方法对齿轮钢金属表面进行烧蚀，制备表面具有纳米线结构的齿轮钢。
3、在本专利技术的一些实施例中，冷却的温度为253~273 k；和/或，真空的真空度为10-4~10-5pa；和/或，齿轮钢选自钛基合金或锆基合金。
4、在本专利技术的一些实施例中，激光为双束飞秒激光。
5、在本专利技术的一些实施例中，双束飞秒激光的时延偏振方向一致。
6、在本专利技术的一些实施例中，双束飞秒激光的光束延迟时间为30~80 ps。
7、在本专利技术的一些实施例中，双束飞秒激光的激光能量相等且激光总能量密度为50~200 mj/cm2；和/或，双束飞秒激光的扫描速度为50~150 mm/s。
8、作为另一个方面，本专利技术提供了一种利用上述的改性方法得到的表面具有纳米线结构的齿轮钢。
9、在本专利技术的一些实施例中，齿轮钢表面的纳米线结构的周期性为150~200 nm。
10、在本专利技术的一些实施例中，齿轮钢表面的纳米线结构中纳米线的直径为80~120nm。
11、作为再一个方面，本专利技术提供了一种上述的齿轮钢表面的改性方法得到的表面具有纳米线结构的齿轮钢或上述的表面具有纳米线结构的齿轮钢在传动齿轮表面减磨方面的应用。
12、本专利技术的实施例提供的技术方案具有如下优点：
13、本专利技术的实施例采用激光真空冷却诱导的方法对齿轮钢金属表面进行烧蚀，制备表面具有周期性纳米线结构的齿轮钢。本专利技术实施例的改性方法中，主要金属相互作用的过程中，相态爆炸机制被强抑制，横电模式表面波被激发并与入射光干涉通过超快激光在金属表面加工百纳米周期光滑纳米线结构，在超高真空低温腔影响下，超快激光与形成百纳米周期能量沉积，随后通过材料融化与马兰戈尼效应在齿轮钢的表面形成光滑纳米线结构。
14、利用飞秒激光制备光滑可控纳米线结构原理如下：
15、基于麦克斯韦方程组边界条件，飞秒激光辐射至传动齿轮金属，在上述实验条件下其表面会激发横电模式表面波，随后该表面波将与入射光相互干涉，形成周期性条状能量沉积。沉积的能量将被传动齿轮金属吸收通过融化组织重组产生周期性纳米线结构。
16、周期纳米线结构表面光洁原因，来源于两个方面：1.周期能量沉积被齿轮钢吸收与其相互作用过程中，涉及材料融化，相态爆炸等一系列物理过程，相态爆炸过程中会产生纳米颗粒喷射。在非真空条件下加工时，喷射纳米颗粒凭借大气压的作用，会迅速沉积并附着至纳米线表面。而高真空环境下无大气压作用，喷射纳米颗粒飘散于腔室内降低了纳米线上纳米颗粒的附着程度。2.通常而言，飞秒激光单脉冲光子能量峰值功率极高，材料表面电子率先吸收光子能量形成热电子，热电子通过电子晶格耦合作用将能量传递至晶格烧蚀形成结构，而另一部分能量则以热扩散形式将能量传递至周边晶格，使材料迅速升温，突增压力会使材料以液体与蒸汽的形式喷射出来，也就是发生相态爆炸。相较于常温条件，低温条件下激光作用区域与未受激光影响区域温度差更大，因此迅速升温激光作用区域能够更快的将温度扩散至未受激光影响区域，也就是可以有效降低相态爆炸程度，因而降低了纳米颗粒喷发以及附着于纳米线表面的数量。这种条件下形成的纳米线结构主要是因热效应而非相态爆炸机理，能量沉积处使当下材料发生温度上升融化，由马兰戈尼温度梯度使其熔融金属移动冷凝后便形成表面光滑纳米线状结构，且无需后续化学腐蚀处理。
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1.一种齿轮钢表面的改性方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的改性方法，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的改性方法，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的改性方法，其特征在于，
7.一种利用权利要求1~6任一项所述的改性方法得到的表面具有纳米线结构的齿轮钢。
8.根据权利要求7所述的表面具有纳米线结构的齿轮钢，其特征在于，
9.根据权利要求7所述的表面具有纳米线结构的齿轮钢，其特征在于，
10.一种权利要求1~6任一项所述的齿轮钢表面的改性方法得到的表面具有纳米线结构的齿轮钢或权利要求7~9任一项所述的表面具有纳米线结构的齿轮钢在传动齿轮表面减磨方面的应用。
【技术特征摘要】
1.一种齿轮钢表面的改性方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的改性方法，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的改性方法，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的改性方法，其特征在于，
7.一种利用权利要求1~6任一项所...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵朕，李庆，刘文斌，李小磊，伍德民，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：
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