激光陶瓷(激光注入纹理技术—通过陶瓷颗粒的局部分散创造耐磨和高表面特征)

Posted 2023-06-01

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激光陶瓷(激光注入纹理技术—通过陶瓷颗粒的局部分散创造耐磨和高表面特征)

江苏激光联盟导读：

纹理表面广泛应用于航空、汽车工业或制造技术等工程领域。尤其是使用微提升表面特征对调整摩擦条件非常有利。然而，突出的微特征容易磨损，并且很难实现可靠的变形过程。通过引入激光注入技术，这种情况可能会改变。

纹理表面对表面的技术功能、触觉和光学外观有很大影响。由于纹理对减少能量损失和减少磨损具有重要意义，因此纹理是当今表面科学的主要研究课题之一。表面纹理方法旨在通过重复改变表面材料的微观几何结构来定制表面材料的交互行为。根据其几何外观，纹理由负或正（提升）特征组成。

在摩擦学领域，自20世纪60年代以来，人们对表面纹理进行了研究，结果表明，使用纹理表面可以显著提高机械零件的性能，这取决于润滑状态。在干润滑、边界润滑或流体动力润滑中，微腔或通道充当碎屑收集器，控制材料和润滑剂流动。结果表明，磨损减少和微动疲劳抗力提高了部件的使用寿命。这对用于成型和切割操作的轴承或工具特别重要。此外，表面纹理在边界润滑和混合润滑状态下充当润滑剂储层。

当空腔发生弹性或塑性变形时，它们会释放润滑剂，并减少最高负载区的固态接触。例如，压花在钢板上的微凹坑扩大了钣金成形中的拉伸比，并使涂漆零件具有更好的光学外观。在完全润滑的系统中，微纹理可以形成微会聚间隙，并在相对运动下支持微流体动力轴承效应。适用于轴向或径向轴承、推力轴承、机械密封和动态密封。另一个研究课题是电子结构在无润滑剂成形拉深工具上的应用。金属切削或轴承技术等应用是另外两个需要精确定义摩擦学优化接触区域的例子。

表面结构的有益效果在很大程度上取决于其尺寸、分布和材料特性。此外，当它们在恶劣条件下工作时，必须保持其几何特征，而不会出现严重退化。然而，突出特征主要受磨损影响。因此，保护涂层通常沉积在有纹理的表面上，以达到足够的使用寿命。常见的涂层方法是硬铬电镀或物理或化学气相沉积工艺（PVD、CVD）。由于三氧化二铬的使用是作为材料注册的，并且是由REACH规定的，因此需要硬铬涂层的替代品。此外，由织构步骤和钝化步骤组成的两步工艺既不经济又耗时。

已经尝试将激光熔覆技术作为表面微纹理的一步工艺。然而，由于几十微米或几百微米的特征需要颗粒分数远小于特征的粉末材料，稳定的粉末进给和进入狭窄熔体池的粉末流的精确聚焦是很难实现的。然而，要处理的最大问题是经济问题。由于一步加工通常需要激光束和材料进给的同步运动，因此变形速度受到很大限制。大型零件的纹理处理非常耗时，激光微熔覆技术在工业上的应用尚不明确。

表面纹理激光植入

激光注入技术为克服这些限制提供了一种有希望的方法。该工艺基于激光辐射下硬质陶瓷颗粒的局部分散。通过插入的陶瓷颗粒在熔融区的体积增加，形成突出的耐磨特性。显微特征（植入物）的几何形状可以通过加工参数进行调整。根据应用的陶瓷硬质颗粒，可以同时获得高耐磨性能。由于使用了纯硬颗粒粉末，因此金属基材起到了粘合剂的作用。由于植入物的金属基复合材料（MMC）特性，可以获得优异的耐磨性能。韧性基质嵌入硬颗粒，防止剥落。由于陶瓷颗粒的高硬度，它们可以防止植入物的磨损。此外，它们显示共价键或离子键共享，并减少与金属计数器体接触时的粘附作用。因此，不需要额外的耐磨涂层，并且在使用寿命内，原有的表面功能性得到了保留。图1显示了激光注入过程的示意图。

图1激光植入的加工步骤。

激光注入工艺使用预先放置的涂层为激光工艺提供陶瓷硬颗粒。该涂层可以通过简单的涂漆或更优选的喷涂来应用。虽然这样的两步方法与更高的准备工作相关，但它提供了一些重要的优势。由于粉末给料机提供的粉末流在激光脉冲之间无法停止，因此通过使用预涂层可将粉末损失降至最低。粉末会在脉冲和工艺室中的沉积物之间损失。带有喷嘴的激光光学元件需要借助精密轴进行定位，从而降低加工速度。相反，扫描激光光学元件可以很容易地用于激光注入，从而获得更高的处理速度。根据所用粘合剂的不同，剩余的涂层可以很容易地冲洗下来，颗粒可以回收以供进一步使用。

案例研究：激光注入冷加工工具钢

冷加工钢经常用作高应力切削、锻造、压铸或拉拔工具的材料。特别是在这一应用领域，通过表面纹理调整摩擦学性能是一个非常有意义的问题。然而，通过创建微观提升表面特征来改变冷加工工具的三元特性仍然是一个雄心勃勃的挑战。AISI D2等富含碳和铬的冷加工工具钢以其不良的焊接性而闻名。如图3所示，在激光重熔过程中，它们的硬度显著下降。由于刀具表面暴露在磨损环境中，测微特征将立即磨损并失去其功能。

图3激光重熔样品和植入物分散TiB2和NbC后的硬度曲线。

由于激光注入技术使用纯陶瓷硬颗粒通过局部分散改变表面微几何，因此可以同时获得耐磨材料性能。由于过渡金属的碳化物、氮化物和硼化物具有极高的硬度和良好的钢液润湿性，因此它们作为注入材料具有很大的相关性。在本案例研究中，使用了碳化铌（NbC）和二硼化钛（TiB2）粉末。NbC的熔点非常高，为3500°C，密度接近7.6 g/cm3的钢，硬度高达2400 HV1，在钢液中几乎没有溶解。TiB2粉末已被证明非常适合通过激光注入来改善材料性能。

该陶瓷具有3400 HV1的超高硬度、4.5 g/cm3的密度以及3225°C的高熔点。陶瓷粉末与有机粘合剂和乙醇作为溶剂混合。通过简单铺展，在试样上涂覆100µm厚的涂层。在空气中干燥后，样品准备好进行激光植入。激光注入过程通常在焦平面（~105µm）处以高达180 W的激光功率和1至15 ms的脉冲持续时间进行。采用脉冲多模Yb:YAG光纤激光器IPG-YLS-600/6000-QCW，波长1070nm，强度分布为高斯分布。

图2显示了穹顶状植入物的横截面。陶瓷硬质颗粒分散在整个注入区，并与金属基体结合良好。通过NbC的局部分散，基质中含有5%到30%不等的分散颗粒。未观察到颗粒的溶解（图2）。硬度值在基体水平上大致保持不变，防止了重熔引起的硬度下降（图3）。因此，用NbC分散的预整形植入物显示出与初始冷加工工具钢相近的硬度特性，这有利于封闭的摩擦学系统。相反，TiB2的局部分散导致硬度值高达1800 HV1（图3）。基质中含有40%至55%的分散TiB2颗粒（图2）。由于高硬度、基体的无缺陷条件和高颗粒含量，植入物非常适合磨损敏感工具或开放式摩擦学系统的表面纹理。在高激光功率（180 W）下，TiB2颗粒（部分分散颗粒低于5%）几乎完全溶解。然而，硬度仍高于基体水平。

图2圆形植入物的横切面。

植入物的几何形状取决于激光参数和使用的陶瓷颗粒。图4显示了NbC和TiB2植入物在研究参数范围内的直径、高度和深度。

图4 TiB2和NbC点植入物的几何特性。

NbC植入物在完整参数范围内呈圆顶状，通常为平面。它们的高度在10µm以下基本保持不变。对于更高的激光功率，横截面和宽度会快速增加到400µm。

随着TiB2硬质颗粒的分散，通过调整激光参数可以很好地调整几何结构，尤其是植入物高度。在1800 HV1的最高硬度值下，低激光功率可达到最大高度（~35µm）。

图5 AISI D2基板上的圆顶状TiB2植入物纹理。

图6 AISI D2基板上环形TiB2植入物纹理。

图7 AISI D2基板上的线形TiB2植入物纹理。

图5中的白光干涉图像显示了植入物的典型圆顶形状。非常好的可靠性是显而易见的。对于180 W的激光功率，锁孔效应的开始将典型的圆顶形状变为环形形状（图6）。环状植入体高度下降(约14µm)，中间出现大约8 ~ 10µm的凹陷。因此，环形植入物可作为润滑剂储层和碎屑截留。

由于几何结构的良好可调节性，首次使用TiB2硬粒子进行了线注入的研究。图7中的线条排列成纹状纹理，硬度值高于1200 HV1时显示出很高的重复性。

总结与展望

激光注入技术基于陶瓷颗粒在金属表面层中的局部分散，以改变其微观几何结构和材料性能。使用TiB2和NbC硬质颗粒，可以制造由凸起的圆顶、环形或线形特征组成的定制微纹理。尤其是TiB2植入物具有高硬度值，高达1800 HV1，陶瓷颗粒含量高达55%，表明具有优异的耐磨性能。

来源：Laser Implantation: An Innovative Technique for Surface Texturing，The creationof wear resistant and elevated surface features by a localized dispersing ofceramic particles，Photonics Views，DOI: 10.1002/phvs.201900002

江苏激光联盟陈长军原创作品！