CN109097545B - 激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法 - Google Patents

激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法，属于材料表面改性领域。装置包括基础支撑单元、激光表面预热处理单元、试件定位与测力单元、工具头定位单元、工具头运动生成单元；激光表面预热处理单元、工具头定位单元通过螺钉与基础支撑单元中的龙门架连接；试件定位与测力单元通过螺钉与基础支持单元中的底座连接；工具头运动生成单元通过螺钉安装在工具头定位单元上。改性方法通过激光预热处理与高频振动冲击的耦合作用，实现非晶合金表面性能的调控。优点在于：具有热—力双重作用，可适用不同类型的非晶合金材料，处理过程简单、效率高，可满足不同的表面特性需求。

Description

激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性领域，特别涉及一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法，可实现激光预热与高频振动热—力耦合作用下非晶合金表面力学性能调控，改善其表面特性，增强其作为表面接触材料的应用。
背景技术
非晶合金由于具有优异的力学、物理和化学性能，在精密机械、航空航天、武器装备、手机、电脑、手表等高端/高附加值产品等众多高新高技术领域展现出十分广阔的应用前景。然而，非晶合金在室温下呈现的拉伸脆性却成为了制约其实际应用的关键瓶颈。因此，如何提升非晶合金的室温拉伸塑性己经成为非晶合金研究领域迫切需要解决的问题。
剪切带是承载非晶合金塑性变形的主要载体，通过增加变形过程中剪切带的密度，形成大量的剪切带，使塑性变形分布在多重剪切带中，可有效预防非晶合金沿着单一剪切带发生变形而断裂的情况，进而增强非晶合金的室温塑性。根据这一原理，研究者们通过引入第二相以及表面改性等方法，以期提高非晶合金试样的塑性。例如，2008年，美国加州理工大学Johnson W L教授等（Nature, 2008, 451:1085-1090；Proceedings of theNational Academy of Science, USA, 2008, 105:20136-10140；ScriptaMaterialia,2010, 62: 278-281）通过调整非晶复合材料中的枝晶间距，在Zr基和Ti基的复合非晶合金材料中实现了大于10%的拉伸塑性。尽管这种复合材料具有较大的拉伸塑性，但依然表现出加工软化的特征。研究者通过铜模铸造法在Zr基块体非晶合金试样内加入Ta，发现在准静态压缩过程中材料的塑性和断裂强度随着Ta的加入显著提高（Materials Science andEngineering: A, 2007, 445-446: 697-706）；在Zr基非晶合金中引入石墨，使得该非晶合金复合材料的塑性较非晶基体本身大幅提高，但是石墨的添加使得非晶复合材料的屈服强度、抗压强度和硬度下降（Script Materialia, 2007, 56(12): 1079-1082）。以上可以看出，在非晶合金母相中引入第二相，尽管可一定程度上提升其塑性变形能力，但是该方法也存在着非常明显的缺点：首先，引入第二相形成非晶合金复合材料的制备工艺复杂，其次，由于引入的第二相强度低于非晶合金基体，因而在提高塑性的同时，也使得复合材料的强度等力学性能明显降低。
表面改性是通过机械的、热的等方式调控材料表面微观组织结构或表面应力状态，实现材料性能的调控，在晶态材料性能调控中已得到广泛应用。近些年，表面改性技术也逐渐被应用于提升非晶合金的塑性变形。如，研究者们利用金属管包裹块体非晶合金进行处理，能够将塑性由原来的0.5%提高至6% （Applied Physics Letters, 2015, 90:051906）；利用高速喷射的有质弹丸冲击材料表面使其产生塑性变形，在材料表面产生残余压应力层和大量的预存在剪切带，从而有效抑制单一剪切带的快速扩展，增强非晶合金的塑性（Philosophical Magazine Letters, 2008, 88(11):757-766）；季忠教授提出一种通过激光喷丸的方法诱导非晶合金微观组织结构变化，提升其塑性变形能力（CN102719625A,2012）。然而，机械喷丸的表面改性方法会导致非晶合金表面粗糙度增大，一方面使得其塑性降低，另一方面表面粗糙度过大也会影响其功能应用。与机械喷丸相比，激光喷丸可以很大程度改善非晶合金的塑性，但是，激光喷丸过程存在热效应，而非晶合金对温度极为敏感，易出现晶化等问题，影响其性能。此外，有研究者采用单脉冲激光喷丸Ti32.8Zr30Ni5.3Cu9Be22.7块体非晶合金，发现喷丸处理后块体非晶合金表面自由体积显著增大，导致其表面硬度显著降低（AIP Advances, 2015, 5:057156），减弱了非晶合金高硬度的优势。
综上可以看出，通过引入第二相或者现有表面改性技术虽然可一定程度提升非晶合金塑性，但也存在诸如工艺过程复杂、降低非晶合金强度、恶化表面质量、降低表面硬度等缺点。因此，需要进一步发展新的非晶合金表面改性装置与方法，以调控其表面特性，增强其实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题。针对非晶合金硬度高的特点，激光预热处理可以起到表面预软化的作用，提高非晶合金，特别是硬脆型非晶合金的可处理性，同时降低金刚石工具头的磨损；金刚石工具头高频振动冲击非晶合金表面，可以起到调控其表面自由体积、应力状态的作用，进而通过热—力双重作用实现非晶合金表面性能的调控，增强其作为表面接触材料的应用。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，包括基础支撑单元、激光表面预热处理单元、试件定位与测力单元、工具头定位单元、工具头运动生成单元，所述激光表面预热处理单元、工具头定位单元通过螺钉与基础支撑单元中的龙门架2连接；试件定位与测力单元通过螺钉与基础支持单元中的底座1连接，实现试件的移动、定位与改性过程中的接触力测量；所述工具头运动生成单元通过螺钉安装在工具头定位单元上。
所述的基础支撑单元由底座1和龙门架2组成；龙门架2通过螺钉连接安装在底座1上。
所述的激光表面预热处理单元是：滑块20与龙门架2上的导轨9连接，激光发射头16通过锁紧螺钉a17与激光固定板18连接，激光固定板18与滑块固定板19之间存在转动铰链，使激光表面预热处理单元在y-z平面内转动，实现激光照射点位置的调整。
所述的试件定位与测力单元由y向定位单元3、x向定位单元4、载物台12、接触力传感器13和水平过渡板14组成，所述载物台12螺纹连接安装在接触力传感器13上方，接触力传感器13螺纹连接在水平过渡板14上方，水平过渡板14通过螺钉与x向定位单元4连接，x向定位单元4通过螺钉安装在y向定位单元3的上方，y向定位单元3和 x向定位单元4为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，分别实现试件11沿y向和x向的定位 。
所述的工具头定位单元包含竖直过渡板7和z向定位单元8，所述竖直过渡板7安装在z向定位单元8上，实现柔性铰链6与z向定位单元8连接时的过渡；z向定位单元8通过螺钉与龙门架2连接，z向定位单元8具有与x向定位单元4和y向定位单元3相同的驱动和传动形式，用以实现金刚石工具头10沿z向的初始位置以及与试件11间初始接触压力的调整。
所述的工具头运动生成单元由压电叠堆5、柔性铰链6和金刚石工具头10组成，所述柔性铰链6通过螺钉与竖直过渡板7连接，压电叠堆5安装在柔性铰链6的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；金刚石工具头10安装在柔性铰链6悬臂末端的盲孔处，并通过锁紧螺钉b15实现锁紧。
本发明的另一目的在于提供一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性方法，包括以下步骤：
a）将表面研磨抛光后的试件11通过熔融石蜡固定在载物台12上，固定过程中熔融石蜡厚度均匀，以保持试件11水平，使试件11表面与金刚石工具头10间的接触力均匀；
b）分别驱动x向定位单元4、y向定位单元3的伺服电机，将试件11的拟处理区域移动到金刚石工具头10正下方；
c）驱动z向定位单元8的伺服电机，使得金刚石工具头10与试件11接触，根据接触力传感器13的读数变化，调控金刚石工具头10与试件11之间的接触力在0 - 1000 N；
d）打开激光发射头16，调节激光照射点的位置，使激光照射点在金刚石工具头10的预计处理路径上，并与金刚石工具头10处理点位置距离100 - 250 μm，对试件11表面进行激光预热处理；
e）给压电叠堆5提供方波驱动电压，压电叠堆5的伸长量通过柔性铰链6的杠杆放大机构转换为金刚石工具头10的上下高频振动，并作用在试件11表面；
f）控制x向定位单元4的伺服电机，使试件11沿x方向匀速运动，同时金刚石工具头10对试件11进行表面处理；
g）当试件11在x方向上处理结束后，关闭激光发射头16，控制z向定位单元8的伺服电机反方向转动，使金刚石工具头10离开试件11，然后控制x向定位单元4的伺服电机反向运动，使金刚石工具头10返回前一处理轨迹的起始点；之后，控制y向定位单元3，使试件11相对金刚石工具头10移动一个步长y，准备进行下一路径的处理；
h重复步骤c～g，直到试件11表面全部处理完毕。
本发明的有益效果在于：通过热—力耦合作用，实现非晶合金表面性能的调控。激光预热处理可软化非晶合金表面，提高非晶合金，特别是硬脆型非晶合金的表面可处理性，同时可有效降低金刚石工具头的磨损；金刚石工具头高频振动冲击非晶合金表面，可以调控其表面自由体积与应力状态；二者耦合作用，实现非晶合金的表面改性。通过改变激光预热处理功率、金刚石工具头类型、压电叠堆驱动电压幅值和频率、初始接触载荷等参数，该装置与方法可适用于各类型非晶合金表面处理，满足不同的表面特性需求。操作简单，适用面广。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置整体结构示意图；
图2为本发明的金刚石工具头和锁紧螺钉部分示意图；
图3为本发明的金刚石工具头在试件表面的运动轨迹示意图；
图4为本发明的激光照射点与金刚石工具头的相对位置关系示意图；
图5为本发明的柔性铰链位移放大原理示意图；
图6为本发明的激光表面预热处理单元示意图；
图 7 为本发明的压电叠堆控制时序示意图。
图中：1、底座；2、龙门架；3、y向定位单元；4、x向定位单元；5、压电叠堆；6、柔性铰链；7、竖直过渡板；8、z向定位单元；9、导轨；10、金刚石工具头；11、试件；12、载物台；13、接触力传感器；14、水平过渡板；15、锁紧螺钉b；16、激光发射头；17、锁紧螺钉a； 18、激光固定板；19、滑块固定板；20、滑块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，具有热—力双重作用，可适用不同类型的非晶合金材料，处理过程简单、效率高，可满足不同的表面特性需求。包括基础支撑单元、激光表面预热处理单元、试件定位与测力单元、工具头定位单元、工具头运动生成单元，所述激光表面预热处理单元、工具头定位单元通过螺钉与基础支撑单元中的龙门架2连接；试件定位与测力单元通过螺钉与基础支持单元中的底座1连接，实现试件的移动、定位与改性过程中的接触力测量；所述工具头运动生成单元通过螺钉安装在工具头定位单元上。
所述的基础支撑单元由底座1和龙门架2组成；龙门架2通过螺钉连接安装在底座1上。
所述的激光表面预热处理单元是：滑块20与龙门架2上的导轨9连接，激光发射头16通过锁紧螺钉a17与激光固定板18连接，激光固定板18与滑块固定板19之间存在转动铰链，使激光表面预热处理单元在y-z平面内转动，实现激光照射点位置的调整。
所述的试件定位与测力单元由y向定位单元3、x向定位单元4、载物台12、接触力传感器13和水平过渡板14组成，所述载物台12螺纹连接安装在接触力传感器13上方，接触力传感器13螺纹连接在水平过渡板14上方，水平过渡板14通过螺钉与x向定位单元4连接，x向定位单元4通过螺钉安装在y向定位单元3的上方，y向定位单元3和 x向定位单元4为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，分别实现试件11沿y向和x向的定位 。
所述的工具头定位单元包含竖直过渡板7和z向定位单元8，所述竖直过渡板7安装在z向定位单元8上，实现柔性铰链6与z向定位单元8连接时的过渡；z向定位单元8通过螺钉与龙门架2连接，z向定位单元8具有与x向定位单元4和y向定位单元3相同的驱动和传动形式，用以实现金刚石工具头10沿z向的初始位置以及与试件11间初始接触压力的调整。
所述的工具头运动生成单元由压电叠堆5、柔性铰链6和金刚石工具头10组成，所述柔性铰链6通过螺钉与竖直过渡板7连接，压电叠堆5安装在柔性铰链6的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；金刚石工具头10安装在柔性铰链6悬臂末端的盲孔处，并通过锁紧螺钉b15实现锁紧。
参见图1所示，本发明的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，总体采用龙门式框架结构，底座1和龙门架2采用铸铁制成。x向定位单元4、y向定位单元3、z向定位单元8均选用北京集科仪器有限公司的01TS102型电动平移台。
参见图2所示，金刚石工具头10的运动主要由压电叠堆5以及柔性铰链6实现。图5是柔性铰链产生运动的示意图。如附图2和附图5所示，压电叠堆5在逆压电效应的作用下伸长Δz，其输出位移通过杠杆放大机构放大，传递到金刚石工具头10，产生沿向的振动2～3Δz，振动幅值与频率可通过调整压电叠堆5的驱动电压信号方便地实现调节。
参见图3至图7所示，本发明的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性方法，包括以下步骤：
a）将表面研磨抛光后的试件11通过熔融石蜡固定在载物台12上。固定过程中熔融石蜡厚度应均匀，以保持试件11水平，减少试件11表面与金刚石工具头10间的距离不等导致的接触力不均匀。
b）分别驱动x向定位单元4与y向定位单元3的伺服电机，将试件11的拟处理区域移动到金刚石工具头10正下方。
c）驱动z向定位单元8的伺服电机，使得金刚石工具头10与试件11接触，根据接触力传感器13的读数变化调控二者之间的接触力（0 - 1000 N）。
d）打开激光发射头16，调节激光照射点的位置，使其在金刚石工具头10的预计处理路径上，并与金刚石工具头10处理点位置距离100 - 250 μm，对试件11表面进行激光预热处理。
e）给压电叠堆5提供一定频率（如2000 Hz）的方波驱动电压，压电叠堆的伸长量通过柔性铰链6的杠杆放大机构转换为金刚石工具头10的上下高频振动，并作用在试件11表面。
f）控制x向定位单元4的伺服电机，使试件11沿x方向匀速运动，同时金刚石工具头10对试件11进行表面处理。
g）如图3所示，当试件11在x方向上处理结束后（由a点至b点），关闭激光发射头16，控制z向定位单元8的伺服电机反方向转动，使金刚石工具头10离开试件11一定距离约1mm，之后控制x向定位单元4的伺服电机反向运动，使金刚石工具头10返回前一处理轨迹的起始点（a点）。之后，控制y向定位单元3，使试件11相对金刚石工具头10移动一个步长y，准备进行下一路径的处理。
h）重复步骤c）～g），直到试件11表面全部处理完毕。
根据不同非晶合金的特性以及最终的表面特性需求，处理过程中可改变激光预热处理功率、金刚石工具头类型、压电叠堆驱动电压幅值和频率、初始接触力等参数。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，其特征在于：包括基础支撑单元、激光表面预热处理单元、试件定位与测力单元、工具头定位单元、工具头运动生成单元，所述激光表面预热处理单元、工具头定位单元通过螺钉与基础支撑单元中的龙门架（2）连接；试件定位与测力单元通过螺钉与基础支持单元中的底座（1）连接，实现试件的移动、定位与改性过程中的接触力测量；所述工具头运动生成单元通过螺钉安装在工具头定位单元上；
所述的激光表面预热处理单元是：滑块（20）与龙门架（2）上的导轨（9）连接，激光发射头（16）通过锁紧螺钉a（17）与激光固定板（18）连接，激光固定板（18）与滑块固定板（19）之间存在转动铰链，使激光表面预热处理单元在y-z平面内转动，实现激光照射点位置的调整；
所述的试件定位与测力单元由y向定位单元（3）、x向定位单元（4）、载物台（12）、接触力传感器（13）和水平过渡板（14）组成，所述载物台（12）螺纹连接安装在接触力传感器（13）上方，接触力传感器（13）螺纹连接在水平过渡板（14）上方，水平过渡板（14）通过螺钉与x向定位单元（4）连接，x向定位单元（4）通过螺钉安装在y向定位单元（3）的上方，y向定位单元（3）和 x向定位单元（4）为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，分别实现试件（11）沿y向和x向的定位 ；
所述的工具头运动生成单元由压电叠堆（5）、柔性铰链（6）和金刚石工具头（10）组成，所述柔性铰链（6）通过螺钉与竖直过渡板（7）连接，压电叠堆（5）安装在柔性铰链（6）的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；金刚石工具头（10）安装在柔性铰链（6）悬臂末端的盲孔处，并通过锁紧螺钉b（15）实现锁紧。
2.根据权利要求1所述的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，其特征在于：所述的基础支撑单元由底座（1）和龙门架（2）组成；龙门架（2）通过螺钉连接安装在底座（1）上。
3.根据权利要求1所述的激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性装置，其特征在于：所述的工具头定位单元包含竖直过渡板（7）和z向定位单元（8），所述竖直过渡板（7）安装在z向定位单元（8）上，实现柔性铰链（6）与z向定位单元（8）连接时的过渡；z向定位单元（8）通过螺钉与龙门架（2）连接，z向定位单元（8）具有与x向定位单元（4）和y向定位单元（3）相同的驱动和传动形式，用以实现金刚石工具头（10）沿z向的初始位置以及与试件（11）间初始接触压力的调整。
4.一种激光预热与高频振动耦合非晶合金表面改性方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）将表面研磨抛光后的试件（11）通过熔融石蜡固定在载物台（12）上，固定过程中熔融石蜡厚度均匀，以保持试件（11）水平，使试件（11）表面与金刚石工具头（10）间的接触力均匀；
b）分别驱动x向定位单元（4）、y向定位单元（3）的伺服电机，将试件（11）的拟处理区域移动到金刚石工具头（10）正下方；
c）驱动z向定位单元（8）的伺服电机，使得金刚石工具头（10）与试件（11）接触，根据接触力传感器（13）的读数变化，调控金刚石工具头（10）与试件（11）之间的接触力在0 - 1000N；
d）打开激光发射头（16），调节激光照射点的位置，使激光照射点在金刚石工具头（10）的预计处理路径上，并与金刚石工具头（10）处理点位置距离100 - 250 μm，对试件（11）表面进行激光预热处理；
e）给压电叠堆（5）提供方波驱动电压，压电叠堆（5）的伸长量通过柔性铰链（6）的杠杆放大机构转换为金刚石工具头（10）的上下高频振动，并作用在试件（11）表面；
f）控制x向定位单元（4）的伺服电机，使试件（11）沿x方向匀速运动，同时金刚石工具头（10）对试件（11）进行表面处理；
g）当试件（11）在x方向上处理结束后，关闭激光发射头（16），控制z向定位单元（8）的伺服电机反方向转动，使金刚石工具头（10）离开试件（11），然后控制x向定位单元（4）的伺服电机反向运动，使金刚石工具头（10）返回前一处理轨迹的起始点；之后，控制y向定位单元（3），使试件（11）相对金刚石工具头（10）移动一个步长y，准备进行下一路径的处理；
h）重复步骤c）～g），直到试件（11）表面全部处理完毕。
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