[發明專利]微納復合織構化刀具的飛秒激光制備方法

無效

• 申請號: 201010124734.2
• 申請日: 2010-03-16
• 公開（公告）號: CN101804551A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 王文君;梅雪松;王恪典;姜歌東;楊成娟;丁明江
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23P15/28
• 分類號: B23P15/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于微制造技術領域，具體涉及一種微納復合織構化刀具的飛秒激光制備方法。

背景技術

近年來，為了減輕飛機、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。由于鋁合金熔點偏低且延展性高，切削時刀具刃部極易發生粘刀現象，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象嚴重，遠遠不能達到預期的使用壽命。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發展的重要問題。

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重的環境污染問題，許多國家已經把切削液列為危險性的廢料，國際環境保護組織也調整了切削液的排放策略。實際上，切削液排放不但帶來環境問題，還消耗了大量制造成本。研究發現，近年來潤滑液的成本已經由切削總成本的3％上升至16.9％，遠高于刀具成本(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重要問題。

刀具表面涂覆技術給切削領域帶來了革命性的變化，目前工業生產中50％的高速鋼刀具、85％的硬質合金刀具、40％的超硬刀具都采用了涂層化技術。刀具涂層技術的發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組分和結合性能以及相關涂層材料的制備方面。實際上，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構或形貌實現。如果能夠在現有先進涂層技術的基礎上，實現刀具表面的三維結構化，則有望進一步提高刀具表面的摩擦學特性。

表面織構技術就是通過改變材料表面的物理結構來改善材料表面特性的方法。刀具表面織構化，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構陣列，通過改變刀具表面的摩擦學特性來提高刀具的使用壽命。微米量級織構能夠捕獲切屑來減少磨損，而納米量級織構在阻斷切屑對刀具表面的剪切方面更為有效，兩種尺寸量級織構的組合則可能綜合二者的優勢，進一步提高刀具耐磨性能。目前受微加工技術所限，已有刀具表面織構技術中，所形成的微結構大都在亞毫米級到幾十微米級的尺寸范圍內，很難獲得微米和納米級尺度的結構。另外，由于現有大部分刀具材料去除方法都存在嚴重的熱作用和較大的熱影響區，因此這些技術用于涂層表面織構化時會造成大范圍的涂層脫落和失效，限制了涂層技術與表面織構化技術的結合。由于已有的表面織構化技術難以形成微納跨尺度織構，且會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行跨尺度范圍無熱影響區的織構化，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。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種微納復合織構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行微米到納米級跨尺度織構化，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，有望實現高速高精度微潤滑切削，并解決鋁合金的切削加工難問題，提高制造業的整體水平。

為了實現上述目的，本發明采取如下技術解決方案：

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，然后在織構過的刀具表面蒸鍍涂層，該織構由以下三種結構群組成：尺寸在1μm～200μm的微米結構、尺寸在50nm～1μm的納米結構或微米與納米的復合結構。

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的具體步驟如下：

1)首先，在刀具基體表面進行涂層蒸鍍；

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構、納米結構或微米與納米復合結構的槽結構群；

3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飛秒激光掃描的方法，在已形成的槽結構群的表面上掃描出均勻的織構。

刀具涂層表面直接織構化的過程中，當所需織構深度超過涂層厚度時，飛秒激光將同時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，織構過刀具表面會出現涂層的不連續。基于上述原因，本發明提出了兩步微納復合織構法，其加工步驟如下：