[发明专利]一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种具有优异表面特性和减阻表现的涂层微织构的制备，属于激光加工技术应用于织构的表面工程领域。

背景技术：

基于现代表面技术的发展，微弧氧化、离子注入、等离子喷涂等技术由于其优异的膜（涂）层性能，受到广泛青睐，但这些技术自身也存在这样或那样的不足，如微弧氧化得到的膜层较脆、有孔；离子注入所得到的改性层非常薄，往往无法满足所需要的表面性能；等离子喷涂涂层具有典型的层状结构，涂层与基材间为机械结合，涂层结合强度较低，这限制了等离子喷涂的应用领域，而激光重熔能实现涂层与基体间的冶金结合，使结合强度明显提高，同时有效增加材料表面的韧性。

沟槽减阻是受鲨鱼皮表面结构的启发，在物体与流体接触的表面上布置微小的流向沟槽，来改变与黏性阻力紧密相关的湍流拟序结构，达到减少湍流阻力的目的，它以能源损耗低、减阻效果好等显著特点受到研究者的关注，美国航空航天局兰利研究中心的Walsh等通过试验发现顺流向的对称型沟槽在湍流条件下减阻率可达8%，王晋军等的沟槽板水槽试验表明局部阻力减少达13%--26%。刘占一等通过数值仿真计算显示有间隔排列的沟槽表面的减阻率可达到25%。

中国专利201310053067.7公开了一种利用表面微沟槽减阻降噪的高速面铣刀，其中刀体上设有若干微沟槽,微沟槽的方向与刀体旋转方向平行。微沟槽为在刀体外圆面上黏贴的微结构聚合物薄膜层,所述薄膜层与刀体之间结合强度足够克服高转速下的离心力。该专利利用刀体表面的微结构沟槽削弱猝发强度，实现湍流减阻降噪的目的,降低高速加工过程中的空气阻力和对环境的噪音影响。此专利中薄膜层和刀体之间的结合强度比较弱限制了铣刀的转速，影响了加工效率。

本发明采用激光烧蚀实现涂层与基体间的冶金结合，能明显提高结合强度。此外，这种沟槽阵列的表面加工方法减阻效果更好，有效改善了材料表面特性。发明内容

针对表面微织构的技术的不足，本发明提出了一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，解决了涂层与基体之间结合强度小，基底材料表面性能差，流体减阻效果弱等问题。

本发明的技术方案是：一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，所述总体包括基体材料、涂层和烧蚀织构合金短沟槽，在对基体材料涂覆涂层之后，激光烧蚀涂层和基体形成结合层加工出合金短沟槽阵列织构。激光烧蚀涂层和基体形成冶金结合层，能显著增加两者之间的结合强度；

一种深入涂层基底的短沟槽阵列加工方法，具体包括如下步骤：

A.将基体抛光至镜面，对基体表面进行去污及去油处理，清洗并干燥充分；

B.将涂层沉积在基体材料表面上；

C.调制激光器对涂层进行烧蚀形成短沟槽阵列织构，表面获得规则织构化合金层。

所述涂层采用等离子喷涂制备、电弧喷涂、热喷涂中的一种或两种。

所述激光器采用固体脉冲激光器，波长为1064，脉冲宽度为200ns，重复频率2KHz，最大平均功率为70W，光束直径为50，速度为2~15mm/s。所述步骤C）中，激光加工路径相邻短沟槽的行间距为100µm。

所述短沟槽深度大于涂层厚度深入基底。所述涂层熔化部分气化，基材少量熔化气化。

所述涂层厚度为200~500µm。所述短沟槽阵列由2~8条短沟槽构成。所述短沟槽阵列的阵列数为2~3，相邻短沟槽阵列的行间距为100~150µm。短沟槽阵列沿液体介质流向进行分布。每个短沟槽展向长度为45~55 mm，流向长度为130~160 mm，垂向深度为200~500µm；所述展向垂直于流向。

沟槽表面占有率为60%~75%，所述沟槽表面占有率为沟槽阵列的总面积与基体表面总面积的比值。所述沟槽表面占有率为60%~75%，所述沟槽表面占有率为沟槽阵列的总面积占基体表面总面积的比值。

所述流向为液体流动方向，展向位于沟槽平面内且垂直于流向，垂向垂直于整个沟槽平面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过高能激光束，烧蚀涂层，使基材微熔，涂层合金元素与基体金属的相互扩散，生成冶金结合层，涂层与基体的结合力提升30%~70%。与单纯的涂层技术相比，涂层激光烧蚀织构后产生的结合层韧性更好。

2、与基体相匹配的涂层烧蚀织构后表面抗磨性、耐腐蚀性均会产生不同程度的提高，这是因为产生的结合层枝晶细小均匀，枝晶间偏析程度低，气孔较少，合金成分和相分布更均匀。

2、高能激光热影响区较小，避免了较大的变形和开裂。

3、控制激光参数，形成沟槽，改善流体润滑性能，减阻率可达10%~30%。