专利名称：一种仿生表面的制备方法
技术领域：
本发明涉及机械工程领域金属表面的处理方法。
技术背景
通过改变金属表面形貌来改变其性能，从而延长零件的使用寿命一直以来就是人们研究的对象。
传统采用刮研加工处理的方法，使刮研加工处理后的金属表面具有某种特殊的表面形貌，即仿生表面。该形貌在泛油的情况下可以减小金属表面摩擦力，达到减阻的效果。 在刮研过程中要求较高，要求刀刃必须保证平整、光洁和锋利，而且每一个表面往往需要经过多次反复刮研，其刮出的表面也具有随机特征。由于是手工操作，这种方法对金属表面形貌的控制精度不高，处理效率较低。
后来人们又采用激光绗磨的方法在金属表面形成各种形状的特殊相貌，起到减小金属表面摩擦力的作用，即到达减阻效果，这种方法也可以提高金属表面的耐磨性和抗擦伤性。但由于这种方法采用激光直接作用于金属表面，所以会在金属表面产生热效应，这样会破坏金属表面的金相组织并形成有害的残余拉应力。
也有采用激光毛化的方法作用于轧辊表面，即在已加工的金属表面经激光扫描改变表面形貌，提高其润滑效果、抗磨损能力及使用寿命。但该方法也是采用激光直接作用于金属表面，因此会破坏金属表面组织并形成有害残余拉应力。发明内容
本专利提供一种激光冲击的方法来制备仿生减摩表面。
用激光冲击成形在金属表面制备特殊的仿生减摩表面形貌的方法克服了其他方法加工效率低、精度控制不够及会在金属表面产生热效应的缺点。
本发明主要是采用大功率激光器运用激光冲击的方法来制备特殊的表面形貌，形成仿生表面。采用这种方法制备的仿生表面在泛油的情况下可以储油，也可以存储一定量的微气泡，使气体参与润滑，从而可以减小表面摩擦力，达到减摩的效果；并在制备减摩表面的同时，可对金属表面进行强化，有效提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀的能力。
本发明的操作步骤是首先把要进行处理的金属表面进行预处理，使其表面尽量光整；然后根据所需要的特殊表面形貌来设置大功率激光器的波长、脉冲宽度、脉冲能量、 光斑半径参数的大小；再根据特殊表面形貌的分布情况对数控台的运行路径进行编程；并在待冲击金属表面贴上吸收层，在吸收层之外附上约束层；最后将待冲击金属用夹具固定在数控工作台上，按照设置好的参数控制大功率激光器和数控工作台对金属表面进行冲击得到所需的金属特殊表面形貌；冲击完成后，去除附在金属表面上的吸收层和约束层，并对金属表面进行适当的后处理，就得到了我们所需要的特殊表面形貌。
本方法可以通过调节大功率激光器的参数、数控工作台的运行路径得到工作情况所需的各种表面形貌，激光冲击所形成的凹坑的分布、叠加、大小、深浅、方向均可进行调节。如图2和图3所示的叠加式(鱼鳞状)仿生表面形貌。其中，激光波长的调节范围为200-1100nm、激光脉冲宽度的调节范围为0. OOl-lOOns、激光光斑半径的调节范围为 0.01-30mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0-100J。激光冲击在金属表面所形成的凹坑的半径大小的调节范围为0-30mm，深浅大小调节范围为0_2mm。
本发明的有益效果是1、用激光冲击的方法可以方便形成各种特殊形态的表面形貌，特殊表面形貌在泛油的情况下可以储油，也可以存储一定量的微气泡，使气体参与润滑，从而可以减小表面摩擦力，形成仿生减摩表面；2、解决了其他方法所存在的加工效率低、精度控制不够及会在金属表面产生热效应的缺陷；3、在形成仿生减摩表面过程中，激光冲击也对金属表面产生了强化效果，提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀能力；4、用此方法来制备仿生表面具有加工效率高、加工路径可控性好、表面凹坑形貌易于控制的优点。
图1为以铝箔为吸收层，水为约束层的激光冲击过程示意图。
图2为金属表面激光冲击成形产生的叠加式(鱼鳞状)仿生表面形貌示意图。
图3为金属表面激光冲击成形产生的叠加式(鱼鳞状)仿生表面形貌。
图中标记1、激光束，2、水，3、铝箔，4、等离子体，5、金属，6、冲击波。
具体实施方式
以下，以激光冲击形成叠加式(鱼鳞状)仿生金属表面为实例进行说明。
首先把要进行处理的金属5表面进行预处理，使其表面尽量光整。然后根据所需要的特殊表面形貌来设置大功率激光器的波长、脉冲宽度、脉冲能量、光斑半径参数的大小。本实例中可设置波长为1. OM μ m，脉冲宽度为20. 1ns，脉冲能量为36J，再根据特殊表面形貌的分布情况对数控台的运行路径进行编程；并在待冲击金属5表面贴上铝箔3，在铝箔之外附上约束层。本实例中采用水2作为约束层。最后将待冲击金属5用夹具固定在数控工作台上，按照设置好的参数控制大功率激光器发射激光束1对金属表面进行激光冲击。在冲击时使水2连续流过铝箔3表面，起到约束层的作用。如图1所示，激光诱导会产生冲击波6，冲击波产生后，等离子4体迅速膨胀，但其被限制在金属5表面和约束层之间， 从而产生一个向金属5内部传播的强冲击压缩波，该冲击压缩波就会对金属5表面产生强化成形作用，从而得到我们所需的金属5表面形貌。同时，激光冲击会使金属5表面产生微小塑性拉伸变形，冲击后材料弹性恢复就会在金属5表面形成有益的残余压应力，从而对金属5表面起到强化效果。
在冲击过程中，如图2所示，按图中激光冲击方向一列一列进行冲击，每列激光冲击方向相同，即先按该方向冲击第A列凹坑形貌，再按该方向冲击第B列凹坑形貌，直至所有要处理的金属表面均被凹坑形貌所覆盖。后冲击形成的凹坑形貌会覆盖先冲击形成的凹坑形貌，即叠加成类似鱼鳞状的仿生表面。此过程通过编程以控制数控工作台实现。冲击完成后，去除附在金属表面上的铝箔3，并对金属表面进行适当后处理。
运用该方法形成的仿生金属表面的应用范围广泛，比如可以用于气缸套内表面。 将气缸套内表面按照上述操作方法使其形成特殊仿生表面。在工作状态时，气缸套内表面会处于泛油状态，这时其内表面的特殊凹坑形貌就会储存一定的润滑油及一定量的微气泡，这样在气缸套与活塞环摩擦时，处于气体摩擦或流体摩擦状态，从而降低了摩擦系数和两者之间摩擦力，也减小了摩擦所消耗的能量，提高了能量的利用率。同时由于激光冲击强化的作用提高了气缸套的耐磨性、抗腐蚀性以及抗疲劳的能力，从而延长了气缸套的使用寿命ο
权利要求
1.一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，采用< 100J的大功率激光器运用激光冲击的方法来制备仿生减摩表面形貌，其步骤在于A)把要进行处理的金属表面进行预处理，使其表面光整；B)根据所需要的仿生减摩表面形貌和材料的强化要求来设置<100J的大功率激光器的波长范围为200-1100nm、脉冲宽度范围为0. OOl-lOOns、脉冲能量范围为0-100J、光斑半径参数的大小范围为0. 01-30mm ；C)根据仿生减摩表面形貌的分布情况对数控台的运行路径进行编程；D)在待冲击金属表面贴上吸收层，并在吸收层之外附上约束层；E)将待冲击金属用夹具固定在数控工作台上，按照设置好的参数控制<100J大功率激光器和数控工作台对金属表面进行冲击得到所需的金属仿生减摩表面形貌；F)冲击完成后，去除附在金属表面上的吸收层和约束层，并对金属表面进行适当的后处理。
2.根据权利要求1所述的一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，步骤C)中运行路径为激光一列一列进行冲击，每列激光冲击方向相同。
3.根据权利要求1所述的一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，预处理和后处理方法包括抛光、磨削、光整加工方法。
4.根据权利要求1所述的一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，根据材料和工况的要求通过调节< 100J大功率激光器参数和数控工作台运行路径对激光冲击所形成的凹坑的分布、叠加、大小、深浅、方向进行调节，凹坑的半径大小的调节范围为0-30mm，深浅大小调节范围为0-lmm。
5.根据权利要求1所述的一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，吸收层使用铝箔、黑漆或黑胶带。
6.根据权利要求1或4所述的一种仿生减摩表面的制备方法，其特征在于，约束层使用水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
全文摘要
本发明提供一种激光冲击的方法来制备仿生表面。把进行过预处理的金属用夹具固定在数控工作台上，再根据所需要的特殊金属表面形貌来调节大功率激光器的波长、脉冲宽度、脉冲能量、光斑半径参数的大小，并对数控工作台的运行路径进行编程，使用调节好的装置对金属表面进行激光冲击就可以形成各种特殊形态的表面形貌。采用这种方法制备的特殊表面形貌在泛油的情况下可以储油，也可以存储一定量的微气泡，使气体参与润滑,从而可以减小表面摩擦力，形成减摩表面；并在制备特殊表面形貌的同时，可对金属表面进行强化，有效提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀的效果。本方法具有加工效率高、可控性好、制备方便的优点。
文档编号B23K26/42GK102513697SQ20111044869
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者姜文帆, 姜银方, 岳陆游, 张永康, 郭振宁, 黄宇, 黄立伟, 龙昆 申请人:江苏大学