CN110643807A - 一种微纳织构涂层的制备方法 - Google Patents

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陈汪林
江信榕
王成勇
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Abstract

本发明提供一种微纳织构涂层的制备方法。一种微纳织构涂层的制备方法，将待加工工件用底座水平的夹具夹紧，保证待加工面朝上，将待加工面放在飞秒激光器下，调整激光辅助光源，使辅助激光光源对准待加工区域，设置激光加工参数，开启飞秒激光器加工出微纳织构，然后具有微纳织构的工件放入硬质膜镀膜机，在微纳织构上沉积涂层，制备出具有微纳织构涂层的工件。本发明通过控制飞秒激光器的加工参数，实现在刀具刃口上制备微纳织构，该微纳织构能够与涂层具有好的结合力，从而提高刀具寿命和减少刀具磨损。

Description

一种微纳织构涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光加工技术领域，更具体地，涉及一种微纳织构涂层的制备方法。
背景技术
数控机床高速加工过程中，由于加工速度不断提高，加工时间累计增加，刀具的刃口与摩擦副不断接触摩擦，产生热量的累积，切屑会带走一部分热量，还有一部分热量会传递到刀的刃口处，不断累积，干切削温度可达到1000℃以上。即使有切削液冷却润滑，降低刀具刃口的温度，但由于正常切屑与前刀面接触很多，常规的浇灌式方法，切削液很难流入到刀刃处直接有效地降低刀具刃口的温度；其次冷却液的安装方式也是参差不齐，并不能有效的将冷却液喷到刀具刃口处，从而刀具刃口温度过高，刀具刃口软化，后面继续加工工件，导致刀具磨损加快，甚至导致刀具刃口崩刃，对工业生产造成不良的影响，造成很大的经济损失。
为解决刀具磨损，刀具刃口崩刃问题，涂层刀具是应用最广泛和有效的方法。涂层由于其优异的材料性能，现在被广泛的应用于各种切削刀具上，用于提高刀具硬度以及耐磨，耐高温性能，但涂层刀具也有它的局限性，往往会因为刀具的复杂形貌导致涂层在刀具切削刃，刀具刃口处易发生涂层剥落，从而涂层失效，甚至加快刀具磨损。近年来，摩擦学研究领域提出了并非越光滑的表面材料抗磨损性能越好，通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法，在材料表面加工具有一定尺寸和排列的凹坑/凹痕或凸包等图案的点阵，也是提高表面摩擦学性能的有效手段。刀具表面织构技术就是通过在刀具表面添加微织构或者纳织构，来改变刀具前刀面或后刀面与摩擦副之间的表面性能，减小摩擦因数，降低摩擦力，从而减少刀具磨损。目前涂层刀具上加工微织构提高刀具的耐磨性，但微织构由于尺寸原因，会破坏涂层的连续性，涂层与刀具基体的结合力差，涂层易脱落。
发明内容
本发明的目的在于克服现有微织构与涂层结合力差，涂层易脱落的缺点，提供一种微纳织构涂层的制备方法。本发明通过控制飞秒激光器的加工参数，实现在刀具刃口上制备微纳织构，该微纳织构能够与涂层具有好的结合力，从而提高刀具寿命和减少刀具磨损。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微纳织构涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将待加工工件用底座水平的夹具夹紧，保证待加工面朝上，
步骤二，将待加工面放在飞秒激光器下，调整激光辅助光源，使辅助激光光源对准待加工区域，设置激光加工参数，开启飞秒激光器加工出微纳织构，
步骤三，然后具有微纳织构的工件放入硬质膜镀膜机，在微纳织构上沉积涂层，制备出具有微纳织构涂层的工件。
进一步的，所述飞秒激光器的加工过程，是在所述待加工区域形成微米级织构的同时，在微米级织构中间加工出纳米级织构。所述待加工工件包括刀具或者硬质合金块。所述刀具的待加工区域为所述刀具刃口上与切屑的接触面或刀具与工件的接触面。微纳织构是通过飞秒激光一道工序即可生成，再生产微米级织构的同时生成纳米级织构，其中微米级织构的凹槽边没有突起物，纳米微织构有少量的氧存在，故微米级微织构周边氧化物很少，微纳织构是加工在刀具刃口上及周围，可以提高涂层与基体的结合面积和致密度，提高涂层的结合力，使刀具刃口具有优异的抗磨损性。
进一步的，所述微米级织构加工的线型凹槽宽度为50um-100um，凹槽深度为0.5um-5um，凹槽间距为100um-150um。所述飞秒激光器设定的脉冲能量为20uJ，扫描速率为20-100mm/s，频率为100kHz。所述飞秒激光器对所述刀具或者硬质合金的加工次数为1-5次。飞秒激光器的脉冲能量，频率，扫描速率，加工次数均是核心的工艺参数，能实现用飞秒激光一道工序加工出微纳织构，飞秒激光器加工1-5次能够保证基体上微纳织构的连续性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过利用飞秒激光技术，调整合适的飞秒激光参数，加工获得微纳织构，微纳织构连续性好，热损伤很少，微纳织构边上没有氧化物的出现，有利于涂层的制备，提高了涂层与微纳织构基体的亚表面积，这也提高了涂层与微纳织构基体的结合力；微纳织构还可以降低刀具刃口处的应力集中，防止涂层制备过程中涂层在刀具刃口处脱掉；通过涂层与微纳织构的结合，提高刀具寿命和减少刀具磨损。
附图说明
图1为硬质合金上微纳织构扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
将光洁的硬质合金用底座为水平的夹具夹持，放入到飞秒激光器下，调节飞秒激光的脉冲能量为20uJ；频率为100KHz，扫描速率为50mm/s，调节辅助光源为激光焦点，将激光焦点对准硬质合金表面，开启飞秒激光器，在硬质合金表面生成微纳织构，加工一次的结果如图1所示，所获得微织构凹槽间距为120um加工的线型凹槽宽度为65um，深度为1.5um，随后将生成微纳织构的硬质合金用底座放入PVD(真空镀膜)炉内，制备成熟的涂层。
实施例2
将光洁的硬质合金用底座为水平的夹具夹持，放入到飞秒激光器下，调节飞秒激光的脉冲能量为20uJ；频率为100KHz，扫描速率为50mm/s，调节辅助光源为激光焦点，将激光焦点对准硬质合金表面，开启飞秒激光器，在硬质合金表面生成微纳织构，反复用飞秒激光器加工3次，所获得微织构凹槽间距为140um，加工的线型凹槽宽度为70um，深度为4.4um，随后将生成微纳织构的硬质合金用底座放入PVD(真空镀膜)炉内，在微纳织构上制备成熟的涂层。
实施例3
将光洁的硬质合金车刀用底座为水平的夹具夹持，刃口垂直对上，放入到飞秒激光设备下，调节飞秒激光器的脉冲能量为20uJ；频率为100KHz，扫描速率为80mm/s，加工次数为3次，调节辅助光源，使激光的焦点在刃口处，启动飞秒激光器，在对刀刃进行加工后，再对刀具表面进行加工，在硬质合金车刀刃口和刀具表面制备微纳米级微织构。硬质合金车刀上的微织构凹槽间距为150um，凹槽宽度为150um，深度为5um，随后将飞秒激光器加工后的硬质合金车刀将放入PVD(真空镀膜)炉内，在微纳织构上制备成熟的涂层。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，将待加工工件用底座水平的夹具夹紧，保证待加工面朝上，
步骤二，将待加工面放在飞秒激光器下，调整激光辅助光源，使辅助激光光源对准待加工区域，设置激光加工参数，开启飞秒激光器加工出微纳织构，
步骤三，然后具有微纳织构的工件放入硬质膜镀膜机，在微纳织构上沉积涂层，制备出具有微纳织构涂层的工件。
2.根据权利要求1所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光器的加工过程，是在所述待加工区域形成微米级织构的同时，在微米级织构中间加工出纳米级织构。
3.根据权利要求1所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述待加工工件包括刀具或者硬质合金块。
4.根据权利要求3所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述刀具的待加工区域为所述刀具刃口上与切屑的接触面或刀具与工件的接触面。
5.根据权利要求2所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述微米级织构加工的线型凹槽宽度为50um-100um，凹槽深度为0.5um-5um，凹槽间距为100um-150um。
6.根据权利要求1所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光器设定的脉冲能量为20uJ，扫描速率为20-100mm/s，频率为100kHz。
7.根据权利要求1所述的一种微纳织构涂层的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光器对所述刀具或者硬质合金的加工次数为1-5次。
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