[发明专利]一种仿生表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械工程领域金属表面的处理方法。

背景技术

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0.001-100ns、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。

附图说明

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。