激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法及系统

本发明属于金属材料表面改性，涉及到一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法及系统。

背景技术：

1、现代金属材料由于具有优良的使用性能和加工性能，在现代工业中是非常重要和应用最多的一类物质，应用于机械仪表、交通行业、信息通讯等诸多领域。但在某些工况下会出现明显的腐蚀和磨损失效等问题，减短构件的实际使用寿命，大大限制金属材料的应用前景。为了提高金属材料的强度、硬度、刚性、耐磨性等性能，一般需要对金属表面进行改性及强化。常见的表面涂层制备方法有电化学沉积、热喷涂、化学转化涂层等，其中电化学沉积技术具有工艺成熟、可控性好等优点。但同样也存在结合力不足的问题，所以须引入预处理工艺。

2、激光直接表面织构技术可在金属表面刻蚀出高精度的纹理图案，并且由此改变金属耐磨性、粘结性以及湿润性等表面性能。激光织构预处理工艺，具有加工迅速、控制精准、低消耗、无接触式加工、不损伤材料本体等优势，并且可以大大增加涂层与金属表面的接触面积从而增强结合强度。但纳秒级脉冲激光刻蚀金属技术，在刻蚀时会引起热效应，进而造成等离子体被吸收、熔融颗粒堆积在表面以及形成热影响区等缺陷，进一步会导致加工精度受影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的系统及方法，从而实现增强金属表面耐磨性、粘结性能与技术成本控制的平衡。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，包括以下步骤，步骤一：搭建纳秒脉冲激光刻蚀、超声清洗、电化学沉积连续加工系统；步骤二：利用纳秒脉冲激光刻蚀方法，在待加工材料基板上进行刻蚀，加工出所需的微米级阵列纹理结构，纹理化的图案是可以通过程序控制的任意形状；步骤三：利用超声清洗方法，去除纳秒脉冲激光刻蚀过程中产生的熔融颗粒和熔渣；步骤四：利用浸蚀方法，对步骤三超声清洗后的微米级阵列纹理结构表面进行活化处理，再度去除表面氧化膜以及提高微米结构表面活性，增强后续电化学步骤中镀层与微米结构的结合强度；步骤五：利用电化学沉积方法，在步骤四活化后的微米结构表面沉积形成具有高耐磨性涂层。

3、上述方案中，所述步骤二中的纳秒脉冲激光刻蚀纹理化图案为条状或网状，加工条状阵列时，扫描速度100～1000mm/s，扫描间距10～100μm，脉冲宽度100～200ns，扫描次数1～20次；加工网状阵列时，扫描速度100～1000mm/s，扫描间距10～100μm，脉冲宽度100～200ns，扫描次数1～20次。

4、上述方案中，所述步骤三中的超声清洗方法，将激光刻蚀后的表面至于乙醇溶液中，并超声清洗600s，清洗后的基板用去离子水冲洗后干燥。

5、上述方案中，所述步骤四中的浸蚀处理，所述的浸蚀溶液质量分数为10wt％hcl，时间为40s，浸蚀后的基板需用大量去离子水冲洗，以达到清洗表面的效果。

6、上述方案中，所述步骤五中的电化学沉积过程，将浸蚀清洗后的基板作阴极、镍板(ni)作阳极，沉积液为硫酸镍(niso4.6h2o)、氯化镍(nicl2.6h2o)和硼酸(h3bo3)水溶液，用摩尔浓度为1mol/l的稀硫酸调节沉积液ph值范围为3.5-4.5，温度控制在55-65℃，然后在电流密度50-200ma/cm2条件下沉积300-1800s，沉积出厚度50-200μm的镀镍层，硫酸镍(niso4.6h2o)、氯化镍(nicl2.6h2o)和硼酸(h3bo3)的参数为：240g/l niso4.6h2o，20g/lnicl2.6h2o，20g/l h3bo3。

7、上述方案中，所述步骤五中的电化学沉积过程，溶液温度控制为60℃，电流密度控制为100ma/cm2，沉积时间为900s。

8、本发明还提供了一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的系统，包括纳秒脉冲激光刻蚀系统、超声清洗系统和电化学沉积系统；所述纳秒脉冲激光刻蚀系统包括可调立柱、激光器和x-y扫描振镜；通过所述可调立柱沿z轴移动调整激光焦点；所述激光器发出的激光束经x-y扫描振镜辐照在基板上；所述超声清洗系统包括超声清洗装置、反应容器、第一容器、清洗溶液、第一流量控制器、第一电泵、干燥系统；所述反应容器的器壁上连接有进水口、出水口，所述进水口处连接有进水管，所述进水管上安装第一流量控制器以及第一电泵，第一容器通过第一流量控制器以及第一电泵连接进水口；所述电化学沉积系统包括可调脉冲电源、反应容器、x-z轴工作台、镍块、基板、隔板、干燥系统、搅拌系统、第二容器、浸蚀溶液、第二流量控制器、第二电泵、第三容器、电沉积溶液、第三流量控制器、第三电泵；所述镍块可由所述x-z轴工作台设置在经超声清洗后的基板的正上方；所述反应容器的器壁上连接有进水口、出水口、干燥系统、搅拌系统；所述第二容器中的浸蚀溶液由水管连接，并在水管上安装第二流量控制器以及第二电泵，并连接至进水口；所述第三容器中的电沉积溶液由水管连接，并在水管上安装第三流量控制器以及第三电泵，并连接至进水口；所述可调脉冲电源正极连接镍块，负极连接经超声清洗后的基板。

9、上述方案中，所述可调立柱、激光器和x-y扫描振镜、温度传感器、加热系统、第一流量控制器、第一电泵、第二流量控制器、第二电泵、第三流量控制器、第三电泵、可调脉冲电源、干燥系统、超声清洗装置、搅拌系统、第四电泵均与计算机电相连。

10、上述方案中，所述反应容器内的搅拌系统上方设有隔板，所述隔板表面开设有若干个通孔；所述基板通过夹具放置在隔板上。

11、本发明的有益效果：(1)利用纳秒脉冲激光刻蚀结合电化学沉积的方法，能够显著增强金属表面耐磨性、粘结性能。(2)经激光刻蚀后微米阵列结构分布均匀、形状可控，电化学沉积的镀层致密且均匀分布在微米阵列结构表面。(3)镀层表面沟槽用于储存润滑油或磨损颗粒，能够显著降低金属表面磨损率。(4)对比现有技术，本发明提供的制备耐磨金属表面的方法，可清除表面污染的氧化层从而减少金属表面处理工艺，经激光刻蚀后微米阵列结构分布均匀可显著提高表面积，进而改善与表面的机械联锁。

技术特征：

1.一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，所述步骤二中的纳秒脉冲激光刻蚀纹理化图案为条状或网状，加工条状阵列时，扫描速度100~1000mm/s，扫描间距10~100μm，脉冲宽度100~200ns，扫描次数1~20次；加工网状阵列时，扫描速度100~1000mm/s，扫描间距10~100μm，脉冲宽度100~200ns，扫描次数1~20次。

3.根据权利要求1所述的激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，所述步骤三中的超声清洗方法，将激光刻蚀后的表面至于乙醇溶液中，并超声清洗600s，清洗后的基板用去离子水冲洗后干燥。

4.根据权利要求1所述的激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，所述步骤四中的浸蚀处理，所述的浸蚀溶液质量分数为10wt%hcl，时间为40s，浸蚀后的基板需用大量去离子水冲洗，以达到清洗表面的效果。

5.根据权利要求1所述的激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，所述步骤五中的电化学沉积过程，将浸蚀清洗后的基板作阴极、镍板（ni）作阳极，沉积液为硫酸镍（niso4.6h2o）、氯化镍（nicl2.6h2o）和硼酸（h3bo3）水溶液，用摩尔浓度为1mol/l的稀硫酸调节沉积液ph值范围为3.5-4.5，温度控制在55-65℃，然后在电流密度50-200ma/cm2条件下沉积300-1800s，沉积出厚度50-200μm的镀镍层，硫酸镍（niso4.6h2o）、氯化镍（nicl2.6h2o）和硼酸（h3bo3）的参数为：240g/l niso4.6h2o，20g/l nicl2.6h2o，20g/lh3bo3。

6.根据权利要求1所述的激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的方法，其特征在于，所述步骤五中的电化学沉积过程，溶液温度控制为60℃，电流密度控制为100ma/cm2，沉积时间为900s。

7.一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的系统，其特征在于，包括纳秒脉冲激光刻蚀系统、超声清洗系统和电化学沉积系统；

8.根据权利要求7所述的一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的系统，其特征在于，所述可调立柱1、激光器2和x-y扫描振镜3、温度传感器9、加热系统10、第一流量控制器13、第一电泵14、第二流量控制器18、第二电泵19、第三流量控制器22、第三电泵23、可调脉冲电源24、干燥系统26、超声清洗装置27、搅拌系统28、第四电泵30均与计算机8电相连。

9.根据权利要求8所述的一种激光-电化学沉积制备耐磨金属表面的系统，其特征在于，所述反应容器（25）内的搅拌系统（28）上方设有隔板（7），所述隔板表面开设有若干个通孔；所述基板（6）通过夹具放置在隔板上。

技术总结
本发明涉及一种激光‑电化学沉积制备耐磨金属表面的方法和装置，该方法首先进行激光烧蚀，在金属表面构筑条状或网状阵列结构，随后表面活化后进行电化学沉积，在微米结构表面沉积形成具有高耐磨性涂层。系统包括纳秒脉冲激光刻蚀系统、超声清洗系统和电化学沉积系统。本发明提供的制备耐磨金属表面的方法，可清除表面污染的氧化层从而减少金属表面处理工艺，经激光刻蚀后微米阵列结构分布均匀可显著提高表面积，进而改善与表面的机械联锁。

技术研发人员：任旭东,杨达,刘怀乐,周王凡,陈健,唐亮,罗忠森,吴越,万文彬
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29