专利名称：一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料表面改性的方法和装置，特指一种基于激光冲击波的微纳米颗粒植入的方法和装置，特别适用于在复杂工件表面局部进行表面强化的场合。
背景技术：
金属的表面性能对于结构件的硬度、耐磨和耐腐蚀性能至关重要，微纳米颗粒增强金属复合材料具有一系列有点，可以大大提高摩擦磨损性能，在金属表面原位生成微纳米颗粒增强复合材料一直以来都是材料科学研究热点，常用的方法主要有搅拌摩擦焊和激光熔覆等，这些方法都涉及高温融化过程，会对金属表面造成气孔、裂纹等缺陷，或者造成原有表面状态的变化。因此，发展一种新型的金属表面原位生成颗粒增强复合材料的方法具有重要意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，实施本发明的装置包括激光器、聚焦透镜、拉法尔加速管、喷粉系统、粉末回收系统和待处理金属，其原理是高重复频率高能量超短脉冲激光与喷粉系统喷出的微纳米颗粒相互作用， 使微纳米颗粒击穿形成等离子体，等离子体爆炸形成冲击波(等离子体内部可产生数个 GPa的压强)，冲击波推动部分微纳米颗粒沿拉法尔管轴线方向高速运动，后续的高重复频率脉冲激光不断辐照微纳米颗粒流，由于拉法尔效应，其产生的冲击波在拉法尔管中对前方运动的微纳米粒子不断加速，最后以极高的速度撞击待处理金属表面，使金属表面材料溅射，使微纳米颗粒植入待处理金属表面。所述的高重复高能量超短脉冲激光器，其聚焦后能使工作介质击穿，重复频率能达到数十赫兹。所述的拉法尔管，其轴线处于水平位置，防止微纳米颗粒从管口散落；管壁具有较小粗糙度，以利于微纳米颗粒沿管壁加速；拉法尔管较大直径端安装有光学玻璃密封，用来透过激光束，使微纳米颗粒不会在散落在环境中；拉法尔管管壁安装有喷嘴，喷嘴喷出压缩空气，用来保护光学玻璃不受微纳米颗粒的污染；拉法尔管管壁开设有局部凹陷特征，使未喷出的微纳米颗粒集中于局部凹陷特征底部；拉法尔管较小直径端开放，并指向待处理金属表面，其管壁安装有喷粉系统和粉末回收系统。正对于粉末回收系统(7)的管壁处安装有喷粉系统所述的粉末回收系统，安装于局部凹陷特征底部，利于回收未喷出微纳米颗粒；粉末回收系统还对拉法尔管内部提供一定的负压，使初速度不够的微纳米颗粒在负压作用下被回收，而速度足够的微纳米颗粒沿轴线方向运动。所述的喷粉系统，安装于正对粉末回收系统的管壁，用来喷出微纳米颗粒。所述的微纳米颗粒，包括碳化钨、碳化硅、氧化铝等硬质颗粒，其尺度为1 100纳米或0. 1 100微米。
本发明的优点是1)激光等离子体产生的冲击波能量极高，能推动微纳米颗粒以很高速度运动。2)由于拉法尔效应，管中前方运动的微纳米颗粒由后方经聚焦的冲击波不断加速，可以达到极高的速度。3)由于拉法尔管管路足够长，而沿管路方向始终有微纳米颗粒，因此，激光的利用率几乎为100%。4)对速度不够的微纳米颗粒具有一定的筛选作用，从而获得动能足够的微纳米颗粒撞击待处理金属表面5)可以对复杂工件表面任何区域进行微纳米颗粒植入。
下面结合附图对本发明作进一步说明图1为本发明激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入装置的结构示意图，图2为图1 的俯视图。1-激光器2-聚焦透镜3-光学玻璃4-拉法尔管5-喷粉系统6_微纳米颗粒 7-粉末回收系统41-局部凹陷特征8-待处理金属9-喷嘴
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。如图1所示，拉法尔管4处于横置状态；喷嘴9喷出压缩空气；喷粉系统5喷出微纳米颗粒6，粉末回收系统7在拉法尔管4的局部凹陷特征41处回收未喷出的微纳米颗粒 6 ；激光器1发出高重复频率高能量超短脉冲激光，经聚焦透镜2聚焦，透过光学玻璃3，与微纳米颗粒流6相互作用，使微纳米颗粒6击穿，产生等离子冲击波(等离子体内部可产生数个GPa的压强)，冲击波推动部分微纳米颗粒6沿拉法尔管4高速运动，后续的脉冲激光跟微纳米粒子6作用，产生脉冲激光冲击波，不断推动前方微纳米颗粒6向前运动，在拉法尔效应作用下，前方微纳米颗粒6得到不断加速，最后以极高的速度撞击待处理金属8表面，使待处理金属表面8的材料溅射，微纳米颗粒6植入到待处理金属8表面，形成微纳米颗粒表面强化层。
权利要求
1.一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，其特征为包括激光器(1)、 聚焦透镜O)、光学玻璃(3)、拉法尔管0)、喷粉系统(5)、微纳米颗粒(6)、粉末回收系统 (7)、待处理金属(8)及喷嘴(9)；激光器(1)对准聚焦透镜O)；光学玻璃(3)安装于拉法尔管，其焦点位于拉法尔管内，(4)较大直径端，拉法尔管(4)较小直径端开放，并指向被处理金属(8)；拉法尔管(4)较大直径端管壁开设有局部凹陷特征(41)，在局部凹陷特征底部安装有并且装有粉末回收系统(7)，正对于粉末回收系统(7)的管壁处安装有喷粉系统(5)，在管壁90度位置安装有喷嘴(9)，喷嘴指向光学玻璃(3)；微纳米颗粒(6)从喷粉系统(5)喷出。
2.根据权利1所要求激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，其特征为拉法尔管(4)轴线处于水平位置，防止微纳米颗粒从管口散落；拉法尔管(4)管壁具有较小粗糙度，以利于微纳米颗粒(6)沿管壁加速；拉法尔管(4)较大直径端安装有光学玻璃(3)密封，用来透过激光束，使微纳米颗粒(6)不会在散落在环境中；拉法尔管(4)管壁安装有喷嘴(9)，喷嘴(9)喷出压缩空气，用来保护光学玻璃(3)不受微纳米颗粒(6)的污染；拉法尔管(4)管壁开设有局部凹陷特征(41)，使未喷出的微纳米颗粒(6)集中于局部凹陷特征 (41)底部；拉法尔管(4)较小直径端开放，并指向待处理金属(8)表面。
3.根据权利2所要求拉法尔管G)，其特征为拉法尔管的长度足够长，在聚焦后的激光束前方始终有微纳米颗粒(6)存在，因此激光的利用率高。
4.根据权利1所要求激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，其特征为激光器(1)为高重复频率高能超短脉冲激光器；微纳米颗粒( 包括碳化钨、碳化硅、氧化铝等硬质颗粒，其尺度为1 100纳米或0. 1 100微米。
5.根据权利1所要求的激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，其特征为 微纳米颗粒(6)在激光冲击波作用下，在拉法尔管(4)内由于拉法尔效应被不断加速，并高速冲向待处理金属(8)的表面，在撞击区域引起材料的溅射，使微纳米颗粒(6)焊接在工件表面，获得纳米颗粒植入强化层。
6.根据权利1所要求激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，其特征为粉末回收系统(7)对拉法尔管内部提供一定的负压，使初速度不够的微纳米颗粒(6)在负压作用下被回收，而速度足够的微纳米颗粒沿轴线方向运动。粉末回收系统(7)安装于局部凹陷特征Gl)底部，利于微纳米颗粒(6)的回收。
全文摘要
本发明涉及一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，特别适用于在复杂工件表面局部进行表面强化的场合。该装置由激光器、聚焦透镜、光学玻璃、喷嘴、拉法尔加速管、喷粉系统、粉末回收系统和待处理金属等构成。光学玻璃用来透过激光束并密封拉法尔管大端，防止微纳米颗粒污染环境；喷粉系统喷出微纳米颗粒，高重复频率高能量脉冲激光与微纳米颗粒相互作用，使微纳米颗粒击穿，产生冲击波，冲击波推动部分微纳米颗粒沿拉法尔管轴向运动，随着激光不断与微纳米颗粒相互作用，由于拉法尔效应，管内微纳米离子在冲击波作用下不断被加速，高速冲向工件，在撞击引起材料的溅射，使微纳米颗粒植入待处理金属表面，获得纳米颗粒植入强化层。本发明能显著提高金属表层的硬度、耐磨和耐腐蚀性能，有广泛的应用前景。
文档编号C23C24/04GK102251241SQ20111017243
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者任旭东, 何卫峰, 周鑫, 张永康, 张田, 戴峰泽, 李应红, 楚维, 汪诚, 皇甫喁卓, 阮亮 申请人:中国人民解放军空军工程大学工程学院, 江苏大学