专利名称：微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法
技术领域：
本发明属于微制造技术领域，具体涉及一种微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法。
背景技术：
近年来，为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加，铝合金零 部件的加工也变得越来越重要。由于铝合金熔点偏低且延展性高，切削时刀具刃部极易发 生粘刀现象，不仅影响到被加工工件的表面粗糙度，而且刀具早期破损现象严重，远远不能 达到预期的使用寿命。类似这样的刀具的早期剧烈磨损，在航空航天、能源等领域使用的高 温铝合金零部件等难加工材料的高速切削过程中并不鲜见，已成为影响装备制造业发展的 重要问题。解决铝合金切削过程中刀具磨损和切屑粘附的有效方法之一是对刀具供给足够 的切削液，然而大量使用切削液却带来了严重的环境污染问题，许多国家已经把切削液列 为危险性的废料，国际环境保护组织也调整了切削液的排放策略。实际上，切削液排放不但 带来环境问题，还消耗了大量制造成本。研究发现，近年来润滑液的成本已经由切削总成本 的3%上升至16.9%，远高于刀具成本(占总成本的7.5%)。因此，最近几年微量润滑切 削的概念逐渐被提倡。如何在微量润滑的情况下消除或减轻刀具的磨损，这是目前切削加 工中面临的一个重要问题。刀具表面涂覆技术给切削领域带来了革命性的变化，目前工业生产中50%的高速 钢刀具、85%的硬质合金刀具、40%的超硬刀具都采用了涂层化技术。刀具涂层技术的发展 降低了切削过程对切削液的依赖程度，目前，国际上对涂层刀具的研究工作大都属于材料 的范畴，主要集中在涂层的化学组分和结合性能以及相关涂层材料的制备方面。实际上，涂 层的表面特性(如摩擦特性)还可以通过改变涂层的表面物理结构或形貌实现。如果能够 在现有先进涂层技术的基础上，实现刀具表面的三维结构化，则有望进一步提高刀具表面 的摩擦学特性。表面织构技术就是通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法。刀 具表面织构化，是在刀具表面或刀具涂层表面的特定位置上加工出各种图形的微结构阵 列，通过改变刀具表面的摩擦学特性来提高刀具的使用寿命。微米量级织构能够捕获切屑 来减少磨损，而纳米量级织构在阻断切屑对刀具表面的剪切方面更为有效，两种尺寸量级 织构的组合则可能综合二者的优势，进一步提高刀具耐磨性能。目前受微加工技术所限， 已有刀具表面织构技术中，所形成的微结构大都在亚毫米级到几十微米级的尺寸范围内， 很难获得微米和纳米级尺度的结构。另外，由于现有大部分刀具材料去除方法都存在严重 的热作用和较大的热影响区，因此这些技术用于涂层表面织构化时会造成大范围的涂层脱 落和失效，限制了涂层技术与表面织构化技术的结合。由于已有的表面织构化技术难以形 成微纳跨尺度织构，且会造成刀具涂层的脱落和失效，若能对刀具表面和刀具涂层表面进 行跨尺度范围无热影响区的织构化，将有助于大幅提升切削刀具的润滑、抗磨损、抗粘附能力，延长刀具使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种微纳复合织构化刀具的 飞秒激光制备方法，采用飞秒激光对涂层刀具表面进行微米到纳米级跨尺度织构化，改善 刀具的抗磨损性能，提高其使用寿命，提高刀具使用性能开拓新的途径，有望实现高速高精 度微润滑切削，并解决铝合金的切削加工难问题，提高制造业的整体水平。为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案利用飞秒激光能加工任意材料、微纳尺度精确加工以及无热影响的特性，在涂层 刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构或利用飞秒激光在刀具表面待加工的位置直 接加工所需面积的织构，然后在织构过的刀具表面蒸镀涂层，该织构由以下三种结构群组 成尺寸在1 μ m 200 μ m的微米结构、尺寸在50nm 1 μ m的纳米结构或微米与纳米的复
合结构。所说的利用飞秒激光在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构的具体 步骤如下1)首先，在刀具基体表面进行涂层蒸镀；2)其次，在蒸镀过涂层的刀具表面，用飞秒激光烧蚀去除的方法在涂层刀具表面 待加工的位置加工所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成的槽结构群 的表面上扫描出均勻的织构。刀具涂层表面直接织构化的过程中，当所需织构深度超过涂层厚度时，飞秒激光 将同时加工涂层材料和基底材料，而基材和涂层的材料物理特性相差较大，使得双层材料 的飞秒激光烧蚀去除难度加大，精度不易控制。同时，织构过刀具表面会出现涂层的不连 续。基于上述原因，本发明提出了两步微纳复合织构法，其加工步骤如下1)首先，用飞秒激光烧蚀去除的方法在未涂层的刀具基体表面待加工的位置加工 所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；2)其次，在加工有槽结构群的刀具基体表面蒸镀涂层；3)最后，在涂层表面采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成 的槽结构群的表面上扫描出均勻的织构。本发明中，刀具表面的织构有如下特征分布位置在前刀面或后刀面；排列方向 沿切屑流动方向或垂直于切屑流动方向；微结构的尺寸在几百微米到几百纳米范围内；形 状分孔织构、平行槽织构和正交槽织构。本发明利用飞秒激光与材料之间相互作用的独特性质，在刀具表面进行微纳织构 以及微/纳复合织构制备，操作简单，精度可控。对于涂层刀具，可采用涂层表面直接织构 法或两步复合织构法来进行微/纳复合织构的制备。本发明克服了以往刀具织构技术仅在 微米尺度织构化的单一性，可进一步改善刀具的抗磨损性能，提高其使用寿命。
图1为刀具表面织构示意图。
图2为刀具表面织构特征示意图，其中图2a为微米级织构结构，图2b为纳米级织 构结构，图2c为微纳复合织构结构。图3为飞秒激光加工出的微纳复合结构的电镜图片。图4为图3中微米结构内部放大图，即在微米槽内遍布着纳米结构。图5为涂层表面直接微纳织构方法，其中a为涂层蒸镀，b为飞秒激光织构化，其 中包括c大深度织构和d小深度织构。图6为两步微纳复合织构方法，其中a为刀具基材微米织构化，b为刀具涂层蒸镀， c为涂层刀具纳米织构化。以下结合附图对本发明作更进一步的详细描述。
具体实施例方式参见附图。刀具表面织构就是在刀具的前刀面或后刀面上某一待加工的位置刻 划出各种图形的微结构阵列即织构区域，其排列方向为沿切屑流动方向或垂直于切屑流动 方向；形状分孔织构、平行槽织构和正交槽织构，如图1所示。其中微米量级织构能够捕获 切屑，而纳米量级织构有助于阻断切屑对刀具表面的剪切，微纳复合织构将两种作用相结 合，能够大幅度提高刀具的抗磨损性能和使用寿命。参见图2a，微米级织构的特征尺寸在 1 μ m 200 μ m，参见图2b，纳米级织构的特征尺寸在50nm Ιμπι范围内，参见图2c，微纳 复合织构则是在微米织构的内部和附近区域分布规则的纳米织构。图3中飞秒激光在刀具基材上加工出了微纳复合织构，将其中一个微米槽放大后 观测发现，槽内表面上分布着整齐的纳米槽，周期约300nm(图4)。飞秒激光对涂层刀具进 行微纳复合织构化的方法有两种一是涂层表面直接织构(图5)，其步骤为1)首先，在刀具基体表面进行涂层蒸镀；2)其次，在蒸镀过涂层的刀具表面，用飞秒激光烧蚀去除的方法在涂层刀具表面 待加工的位置加工所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成的槽结构群 的表面上扫描出均勻的织构。从图5中可以看出，当微米织构的深度大于涂层厚度时，织构化后存在涂层不连 续现象，容易造成涂层的剥落失效。第二种方法是两步微纳复合织构(图6)，其步骤为1)首先，用飞秒激光烧蚀去除的方法在未涂层的刀具基体表面待加工的位置加工 所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；2)其次，在加工有槽结构群的刀具基体表面蒸镀涂层；3)最后，在涂层表面采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成 的槽结构群的表面上扫描出均勻的织构。这种方法避免了双层材料的同时加工，且保证了涂层薄膜的连续性。
权利要求
微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，其特征在于利用飞秒激光在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构或利用飞秒激光在刀具表面待加工的位置直接加工所需面积的织构，然后在织构过的刀具表面蒸镀涂层，该织构由以下三种结构群组成尺寸在1μm～200μm的微米结构、尺寸在50nm～1μm的纳米结构或微米与纳米的复合结构。
2.根据权利要求1所述的微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，其特征在于所 说的利用飞秒激光在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构的具体步骤如下1)首先，在刀具基体表面进行涂层蒸镀；2)其次，在蒸镀过涂层的刀具表面，用飞秒激光烧蚀去除的方法在涂层刀具表面待加 工的位置加工所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成的槽结构群的表 面上扫描出均勻的织构。
3.根据权利要求1所述的微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，其特征在于利 用飞秒激光在刀具表面待加工的位置直接加工所需面积的织构的具体步骤如下1)首先，用飞秒激光烧蚀去除的方法在未涂层的刀具基体表面待加工的位置加工所需 面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；2)其次，在加工有槽结构群的刀具基体表面蒸镀涂层；3)最后，在涂层表面采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成的槽 结构群的表面上扫描出均勻的织构。
全文摘要
本发明涉及微结构表面制备及激光微加工技术领域，具体是提供了一种微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，利用飞秒激光与材料之间相互作用的独特性质，在刀具表面进行微纳织构以及微/纳复合织构制备，操作简单，精度可控。对于涂层刀具，可采用涂层表面直接织构法或两步复合织构法来进行微/纳复合织构的制备。本发明克服了以往刀具织构技术仅在微米尺度织构化的单一性，可进一步改善刀具的抗磨损性能，提高其使用寿命。
文档编号B23P15/28GK101804551SQ20101012473
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者丁明江, 姜歌东, 杨成娟, 梅雪松, 王恪典, 王文君 申请人:西安交通大学