[發(fā)明專利]激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯復(fù)合微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011118222.5
• 申請(qǐng)日: 2020-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN112222625A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王志文;劉煒程;鄭宏宇;叢建臣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/352
• 分類號(hào): B23K26/352;B23K26/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯復(fù)合微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用脈沖激光燒蝕并剝離球墨，將石墨誘導(dǎo)成為石墨烯。基于球墨本身在鑄鐵中隨機(jī)均勻分布的特點(diǎn)，獲得多種直徑、深度分布的石墨烯微織構(gòu)陣列。通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)獲得理想尺寸的微織構(gòu)分布。同時(shí)，利用激光重熔技術(shù)及激光表面淬火特點(diǎn)，在微織構(gòu)周圍區(qū)域同時(shí)獲得更低粗糙度、更高硬度的表面，消除原有材料表面的微裂紋、劃痕等缺陷。本發(fā)明提出的加工方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、并行加工石墨烯微織構(gòu)表面，加工時(shí)可以同時(shí)消除材料原有劃痕及微裂紋等缺陷。制備的復(fù)合微織構(gòu)表面具有較小的摩擦系數(shù)、較高的抗磨損性能以及較好的傳熱性能。

技術(shù)領(lǐng)域

激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯復(fù)合微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

利用激光加工技術(shù)制備微織構(gòu)是目前改善摩擦磨損性能的方法之一，利用激光可以在材料表面制備微凹坑、微凹槽、微凸體等微織構(gòu)陣列。目前已有大量研究報(bào)道了利用激光加工技術(shù)制備單一尺寸的微織構(gòu)表面，已經(jīng)報(bào)道的表面織構(gòu)類型包括正六邊形微凸體、方形凸體、圓形凹坑、方形凹坑、平行凹槽、交叉網(wǎng)狀凹槽等。但目前利用激光加工微織構(gòu)陣列（如微坑陣列）均為單個(gè)順序式加工，加工效率較低。

球墨鑄鐵材料在發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、曲軸中有廣泛應(yīng)用。苛刻的工作條件要求其表面具備低摩擦系數(shù)、高抗磨損性能及較好的傳熱性能。研究表明，同時(shí)具有不同尺寸微織構(gòu)陣列的復(fù)合微織構(gòu)陣列可以獲得更好的摩擦磨損性能，石墨烯作為近20年的明星材料，具有極佳的熱擴(kuò)散性能。目前激光加工技術(shù)無法一次性、連續(xù)的制備多種尺寸的復(fù)合微織構(gòu)陣列，材料為石墨烯的復(fù)合微織構(gòu)也未見報(bào)道。對(duì)于復(fù)合微織構(gòu)表面，目前利用激光加工所采用的方法為多次加工，每次加工某一種尺寸的微織構(gòu)陣列，加工效率較低，工藝較復(fù)雜。激光制備復(fù)合石墨烯微織構(gòu)表面技術(shù)的發(fā)展受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服目前現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激光加工技術(shù)、針對(duì)球墨鑄鐵材料、一次性制備多種尺寸的石墨烯復(fù)合微織構(gòu)表面、有效改善材料的摩擦磨損性能以及傳熱性能的激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯復(fù)合微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)，其特征在于：加工材料為球墨鑄鐵材料，加工系統(tǒng)包括激光器[2]、光電快門[3]、擴(kuò)束鏡[4]、反射鏡 [5]、夾具[7] 、位移臺(tái)[8]、CCD[10]以及聚焦裝置，其中聚焦裝置可為聚焦透鏡[6]，或掃描振鏡[11]。

激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯復(fù)合微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：工件[9]為球墨鑄鐵材料，首先對(duì)工件進(jìn)行拋光并清洗，使表面光滑無污染，工件表面可以為平面型表面或曲面型表面，然后對(duì)工件進(jìn)行裝夾，工件的裝夾可以為固定式裝夾或繞固定軸旋轉(zhuǎn)式裝夾，使待加工區(qū)域與激光器[2]發(fā)射的激光正入射方向垂直，最后進(jìn)行調(diào)節(jié)激光參數(shù)，激光經(jīng)過光電快門[3]、擴(kuò)束鏡[4]、反射鏡[5]、聚焦裝置后入射到工件[9]表面，其中激光為脈沖式激光，聚焦裝置可以為振鏡或聚焦透鏡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：本發(fā)明在球墨鑄鐵材料表面誘導(dǎo)石墨烯復(fù)合微織構(gòu)，微織構(gòu)可以提高材料的摩擦磨損性能；利用球墨本身在鑄鐵中隨機(jī)均勻分布的特點(diǎn)，可以誘導(dǎo)球墨獲得多種直徑、深度分布的微坑陣列；通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)可以獲得理想尺寸比例的微坑分布，優(yōu)化后可獲得較好的摩擦磨損性能；通過誘導(dǎo)球墨變?yōu)槭梢垣@得更佳的傳熱性能；同時(shí)，利用激光熔融技術(shù)特點(diǎn)，在微坑周圍區(qū)域同時(shí)獲得更低粗糙度的表面，消除原有材料表面的微裂紋、劃痕等缺陷。本發(fā)明提出的加工方法具有效率高、成本低的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大面積、并行加工復(fù)合微織構(gòu)表面，加工時(shí)可以同時(shí)消除材料原有劃痕及微裂紋等缺陷。本發(fā)明可以減小摩擦系數(shù)、提高抗磨損性能，并改善工件傳熱性能，可以實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1的激光原位誘導(dǎo)球墨鑄鐵材料表面石墨烯微織構(gòu)方法及加工系統(tǒng)示意圖。