一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及特种加工领域，特指一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法和装置，适用于需强化的结构金属表面薄膜的加工，本发明专利技术将基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将碳化物纳米颗粒作为主要成分制备成激光冲击柔性吸收层，吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波，在高压冲击力作用下使吸收层下方未被汽化的纳米颗粒植入轻质合金表层，制备纳米碳基薄膜，可以大幅度提高合金基体的机械性能、摩擦磨损性能和疲劳性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及特种加工领域，特指一种热激光冲击纳米碳基增强颗粒植入合金基体改变合金表层元素成分并制备纳米碳基薄膜，从而增强合金表层性能的方法和装置，适用于需强化的结构金属表面薄膜的加工。
技术介绍
结构金属的表面性能对于结构件的机械性能、疲劳性能和抗腐蚀性能至关重要， 目前各种表面改性技术比如激光表面处理、电子束加工和离子注入等能够大幅度提高结构金属的表面性能，并能够获得优良的增益效果。激光表面改性技术具有对基体热影响小和易于实现自动化的优点，如美国专利 US4613386, Method of making corrosion resistant magnesium and aluminum oxyalloys,该方法首先在镁合金表面沉积一层不超过1. 5mm厚的铝、硅、钛、锰、锆等合金元素，然后在有氧环境下用高能脉冲激光辐照表面，在镁合金表面形成一层耐腐蚀的合金氧化层；美国 Iowa Mate University 的 P. Molian 等人[P. Molian, R. Molian, R. Nair. Laser shock wave consolidation of nanodiamond powders on aluminum 319. Applied Surface Science, 2009, 255 (6) :3859-3867.]采用激光冲击波压缩纳米金刚石粉末到319铝合金制备涂层，提高了基体表面的纳米硬度和耐磨性能，该技术利用激光冲击波力学效应将纳米粉末渗入到铝合金基体，并使铝合金基体表层呈压应力状态。但是该方法存在纳米粉末渗入深度较浅、数量较少等不足，并且该方法只能够细化表层金属到亚微米量级。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热激光冲击纳米碳基增强颗粒植入合金基体改变金属表层元素成分并制备纳米碳基薄膜的方法和装置。技术路线为即先预热合金基体温度，将基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将碳化物纳米颗粒作为主要成分制备成激光冲击柔性吸收层，吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波，在高压冲击力作用下使吸收层下方未被汽化的纳米颗粒植入轻质合金表层，制备纳米碳基薄膜，可以大幅度提高合金基体的机械性能、摩擦磨损性能和疲劳性能。本专利技术提供了热激光冲击颗粒植入合金基体的纳米碳基薄膜的制备装置，包括计算机控制系统、纳秒激光发生器、温度传感器、真空绝热容器、冲击监测装置、45°全反镜、 K9玻璃窗、复合吸收层、透明约束层、活动盖、合金基体、液位计、加液阀门、工件夹具、五轴工作台、加热板和排液阀门装置。其中复合吸收层主要由两部分组成第一层激光吸收层以吸收激光能量为主，其主要成分按质量份数计算为80%的黑漆、15%耐高温密封胶和5%的改善激光吸收层柔性的柔性添加剂；第二层纳米颗粒层其主要成分按质量份数计算为80%纳米增强WC或SiC颗粒，15%高温密封胶和5%的改善纳米颗粒层柔性的添加剂，其主要功能是提供植入合金基体的纳米颗粒。所述改善激光吸收层柔性的柔性添加剂和改善纳米颗粒层柔性的添加剂为柔性聚酯材料。所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、邻苯二甲酸酐、癸二酸按质量比2 :2 1 :1混合均勻制成。冲击监测装置通过K9玻璃窗监测激光束和和复合吸收层(9)之间的入射夹角，监测数据返回计算机控制系统；计算机控制系统控制纳秒激光发生器发射激光束以及停止发射，根据温度传感器反馈回来的温度信息控制加热板的开启和停止，同时控制五轴工作台的移动，从而控制合金基体表面加工点和激光光束的相对位置，实现合金基体表层的加工， 计算机控制系统还可根据冲击监测装置的信号确定下一步的冲击过程。真空绝热容器必须密封和绝热，确保在加工过程中液体不飞溅，同时保持恒温，真空绝热容器上方的活动盖主要用于试样装夹和取出用，透明约束层是液态710型耐高温硅油，主要用于提高热激光冲击时的冲击波峰压，加液阀门和排液阀门主要用于真空绝热容器内部约束层的更换、注入和排空。液位计主来用来监测纳米材料柔性贴膜上方透明约束层的厚度在1-2 mm之间； 加热板用来给合金基体和约束层加热，温度传感器用来测量真空绝热容器中的实时温度。热激光冲击颗粒植入合金基体的纳米碳基薄膜制备方法的具体步骤如下(1)复合吸收层主要有两部分组成第一层激光吸收层以吸收激光能量为主，其主要成分以80%黑漆为主，15%耐高温密封胶和5%添加剂为辅；第二层纳米颗粒层以80%纳米 WC或SiC增强颗粒，15%高温密封胶和5%添加剂按照质量比混合好，其主要功能是提供植入合金基体的纳米颗粒；激光吸收层厚度约为0. 8mm，纳米颗粒层约为0. 2-0. 3mm，将激光吸收层和纳米颗粒层逐层叠加在一起构成复合吸收层，放置在真空环境中排掉气泡，然后将复合吸收层放在模具内，加热到70-90°C，冷却以后从模具中取出，表面封装，留以待用；(2)打开真空绝热容器上方的活动盖，将合金基体装夹在固定在五轴工作台上的工具夹具上，在合金基体待加工区域黏贴复合吸收层，将五轴工作台移动到真空绝热容器内， 关闭真空绝热容器上方的活动盖；(3)利用液位计监测复合吸收层上方透明约束层的厚度，通过加液阀门和排液阀门来控制合金基体上方的透明约束层厚度为l_2mm，监测数据返回计算机控制系统，并调整激光束和合金基体的相对位置；(4)预热合金基体，根据温度传感器所示温度，利用真空绝热容器底部迪加热板将合金基体温度加热到基体材料的动态应变时效温度，比如6160铝合金为160°C，H62黄铜为 150-200°C, AISI 4140 钢 250°C ；(5)根据合金基体表层加工区域要求，通过计算机控制系统编程生成加工轨迹，确定激光加工工艺参数，采用纳秒激光发生器对覆盖有透明约束层和柔性吸收层的合金进行大面积多次激光冲击强化；(6)计算机控制系统控制纳秒激光发生器发射激光束以及停止发射，根据温度传感器反馈回来的温度信息控制加热板的开启和停止，同时控制五轴工作台的移动，从而控制合金基体表面加工点和激光光束的相对位置，实现合金基体表层的加工。计算机控制系统还可根据冲击监测装置的信号确定下一步的冲击过程。本专利技术热激光冲击颗粒植入合金基体的纳米碳基薄膜制备工艺方法的创新，是先预热合金基体温度，将合金基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将碳化物纳米颗粒作为主要成分制备成激光冲击柔性复合吸收层，吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波，在高压冲击力作用下使吸收层下方未被汽化的纳米颗粒植入合金基体表层，制备纳米碳基薄膜，温度与原子扩散能力也存在着很大关系，在一定范围内温度越高原子扩散能力越强，提高合金基体的温度到合金材料的动态应变时效温度能够使合金基体中的溶质原子运动加剧，提高碳基纳米颗粒的植入深度和植入数量，可以大幅度提高合金基体的机械性能、摩擦磨损性能和疲劳性能。合金基体热激光冲击植入颗粒制备纳米碳基薄膜充分利用了各种工艺优点和材料特性，具有以下三个优点(1)将碳化物纳米颗粒作为主要成分制备成柔性复合吸收层， 方便操作，易于清洗；( 预热合金基体到动态应变时效温度，利用激光冲击波诱导的高压冲击力将纳米颗粒植入合金基体，制备纳米碳基薄膜，是激光冲击的力学效应作用的结果， 整个作用过程约80-100 ns，能够保持原有纳米材料特性，是超快冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于：先预热合金基体温度，将基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将由激光吸收层和纳米颗粒层组成的复合吸收层黏粘在合金基体的待加工区上，复合吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波，在高压冲击力作用下使未被汽化的纳米颗粒植入合金基体表层，制备纳米碳基薄膜，所述复合吸收层由两部分组成：第一层激光吸收层以吸收激光能量为主，其成分按质量份数计算为：８０％的黑漆、１５％耐高温密封胶和５％的改善激光吸收层柔性的柔性添加剂；第二层纳米颗粒层，其成分按质量份数计算为：８０％纳米增强ＷＣ或ＳｉＣ颗粒，１５％高温密封胶和５％的改善纳米颗粒层柔性的添加剂，其主要功能是提供植入合金基体的纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于先预热合金基体温度，将基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将由激光吸收层和纳米颗粒层组成的复合吸收层黏粘在合金基体的待加工区上，复合吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波， 在高压冲击力作用下使未被汽化的纳米颗粒植入合金基体表层，制备纳米碳基薄膜，所述复合吸收层由两部分组成第一层激光吸收层以吸收激光能量为主，其成分按质量份数计算为80%的黑漆、15%耐高温密封胶和5%的改善激光吸收层柔性的柔性添加剂；第二层纳米颗粒层，其成分按质量份数计算为80%纳米增强WC或SiC颗粒，15%高温密封胶和5%的改善纳米颗粒层柔性的添加剂，其主要功能是提供植入合金基体的纳米颗粒。2.如权利要求1所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于 所述改善激光吸收层柔性的柔性添加剂和改善纳米颗粒层柔性的添加剂为柔性聚酯材料。3.如权利要求2所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于 所述柔性聚酯材料由稀料、甘油酯、邻苯二甲酸酐、癸二酸按质量比2 2 1 1混合均勻制成。4.如权利要求1所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于 所述复合吸收层中的激光吸收层的厚度为为0. 8mm，纳米颗粒层为0. 2-0. 3mm。5.如权利要求1所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于 所述复合吸收层的制备方法为将激光吸收层和纳米颗粒层逐层叠加在一起构成复合吸收层，放置在真空环境中排掉气泡，然后将复合吸收层放在模具内，加热到70-90°C，冷却以后从模具中取出，表面封装，留以待用。6.如权利要求1所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，其特征在于 所述的激光的脉冲能量为1-50焦耳、持续时间为8-30纳秒。7.如权利要求1所述的一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法，具体为1)打开真空绝热容器(5)上方的活动盖(11)，将合金基体(12)装夹在固定在五轴工作台(16)上的工件夹具(15)上，在合金基体(12)的待加工区域黏贴复合吸收层(9)，将五轴工作台(16)移动到真空绝热容器(5)内，关闭真空绝热容器(5)上方的活动盖(11);2)利用安装真空绝热容器(5)内一侧的液位计(13)监测复合吸收层(9)上方透明约束层(10)的厚度，通过安装在真空绝热容器(5)上的加液阀门(14)和排液阀门(17)来控制合金基体(12)上方的透明约束层(10)厚度为l-2mm，；3)预热合金基体(12)，根据安装在真空绝热容器(5 )内的温度传感器(4 )所示温度，利用真空绝热容器(5)底部的加热板(18)将合金基体(12)温度加热到合金基体(12)的动态应变时...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，罗开玉，张永康，程晓农，钟金杉，王庆伟，钟俊伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32