CN114985903A - 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法 - Google Patents

机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114985903A
CN114985903A CN202210840768.4A CN202210840768A CN114985903A CN 114985903 A CN114985903 A CN 114985903A CN 202210840768 A CN202210840768 A CN 202210840768A CN 114985903 A CN114985903 A CN 114985903A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
micro
scribing
amorphous alloy
holes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210840768.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114985903B (zh
Inventor
黄虎
洪婧
吴浩翔
钱永峰
王超
崔明明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202210840768.4A priority Critical patent/CN114985903B/zh
Publication of CN114985903A publication Critical patent/CN114985903A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114985903B publication Critical patent/CN114985903B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明涉及一种机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，属于非晶合金表面修复技术领域。利用配有维氏压头的划痕测试***在一定法向载荷下对激光氮化表面进行机械刻划，刻划区域材料在压头移动过程中发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，进而修复激光氮化表面微孔洞。本发明有效解决了现存激光氮化锆基非晶合金表面存在孔洞、凹槽等缺陷的问题。本发明实施过程简单、效率高、实用性强，同时可以提高刻划区域表面质量及致密度，增强疲劳强度及耐磨性。

Description

机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法
技术领域
本发明涉及非晶合金表面修复技术领域，特别涉及一种机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法。本发明的机械刻划修复表面微孔洞方法具有实施过程简单、效率高、实用性强等优点，同时该方法可以提高刻划区域表面质量及致密度，增强实际的工程应用性。
背景技术
非晶合金由于具有长程无序、短程有序的原子结构，所以呈现优异的机械和物理化学性能，例如高弹性，低弹性模量，良好的耐腐蚀性和软磁性。尤其是，与许多晶态金属相比，相对较高的硬度和耐磨性为非晶合金在轴承滚子、防护装甲、医疗器械以及高端体育用具的制备中提供潜在的应用。为了进一步拓展其应用范围，满足实际恶劣工况需求，有必要进一步提高非晶合金的表面性能。
激光氮化因具有操作简便、环境友好、效率高等优点，被广泛应用于材料表面性能的改善。在非晶合金激光氮化过程中，基于氮气中氮元素和非晶合金基体中锆元素在高温条件下的化学亲和性，ZrN相得以原位生成并嵌入非晶合金基体中形成具有高硬度和高耐磨性的氮化层。因此，激光氮化后锆基非晶合金的表面硬度和耐磨性得到显着提高。然而，激光氮化表面往往非常粗糙，具有明显的波峰和波谷，需要利用机械研磨来降低其表面粗糙度。但是机械研磨后分散在激光氮化表面的微孔洞仍然存在，这限制了其作为接触材料的应用性。因此，迫切需要一种可以实现表面微尺度缺陷修复，同时不影响氮化层效果的修复方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，解决现存激光氮化锆基非晶合金表面存在微孔洞缺陷的问题。利用本发明提供的方法，利用配有维氏压头的划痕测试***在一法向载荷下对激光氮化表面进行机械刻划，刻划区域材料在压头移动过程中发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，从而减少了表面微孔洞。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，利用配有维氏压头的划痕测试***对激光氮化表面进行机械刻划，刻划区域材料在压头移动过程中发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，进而修复激光氮化表面微孔洞，具体步骤包括：
步骤一、通过螺纹将维氏压头固定在划痕测试***上，然后将纳秒激光氮化后的非晶合金样品固定在划痕测试***的刻划平台上，设定刻划起始位置、法向载荷以及刻划速度；
步骤二、维氏压头在50～200mN法向载荷作用下以20μm/s速度在激光氮化表面进行刻划，在刻划过程中，刻划区域表面微孔洞在法向力作用下发生挤压变形或材料填充，通过改变法向载荷，可以控制激光氮化锆基非晶合金表面塑性变形程度，从而实现不同程度的激光氮化锆基非晶合金表面微孔洞修复。
步骤一中所述的非晶合金样品的纳秒激光氮化制备过程及后处理过程为：利用激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，重复频率为600kHz的纳秒激光器在激光功率为3.7W，扫描速度为10mm/s，相邻扫描线搭接率为70％，扫描次数为1和3的条件下进行氮气环境中激光扫描，然后使用1μm粒度的金刚石抛光膏将激光扫描表面抛光60分钟。
步骤一中所述的纳秒激光氮化后的非晶合金样品的表面微孔洞半径为1～5μm，微孔洞深度为0.1～0.5μm。
本发明的有益效果在于：当划痕压头以恒定速度相对于激光氮化表面移动时，刻划区域材料在法向力和横向力作用下发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，因此刻划区域的微孔洞缺陷明显得到了修复。同时，由于刻划区域微孔洞被填平，材料变得均匀致密，这有助于增强疲劳强度及耐磨性。该方法有效解决了现存激光氮化锆基非晶合金表面存在微孔洞缺陷的问题。本发明实施过程简单、效率高、实用性强，而且不会影响刻划区域材料的组成成分，适用于各种类型的非晶合金表面微孔洞或微凹槽缺陷的修复。
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为本发明的划痕测试***示意图；
图2为本发明的实施例1中的氮气氛围内纳秒激光扫描后的非晶合金表面微观形貌图；
图3为本发明的实施例1中的50mN法向载荷条件下机械刻划后的激光氮化锆基非晶合金表面微观形貌图；
图4为本发明的实施例1中的100mN法向载荷条件下机械刻划后的激光氮化锆基非晶合金表面微观形貌图；
图5为本发明的实施例2中的氮气氛围内纳秒激光扫描后的非晶合金表面微观形貌图；
图6为本发明的实施例2中的50mN法向载荷条件下机械刻划后的激光氮化锆基非晶合金表面微观形貌图；
图7为本发明的实施例2中的100mN法向载荷条件下机械刻划后的激光氮化锆基非晶合金表面微观形貌图；
图8为本发明的实施例2中的200mN法向载荷条件下机械刻划后的激光氮化锆基非晶合金表面微观形貌图。
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所示，本发明的机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，利用配有维氏压头的划痕测试***对激光氮化表面进行机械刻划，刻划区域材料在压头移动过程中发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，进而修复激光氮化表面微孔洞，具体步骤包括：
步骤一、通过螺纹将维氏压头固定在划痕测试***上，然后将纳秒激光氮化后的非晶合金样品固定在划痕测试***的刻划平台上，设定刻划起始位置、法向载荷以及刻划速度；
步骤二、维氏压头在50～200mN法向载荷作用下以20μm/s速度在激光氮化表面进行刻划，在刻划过程中，刻划区域表面微孔洞在法向力作用下发生挤压变形或材料填充，通过改变法向载荷，可以控制激光氮化锆基非晶合金表面塑性变形程度，从而实现不同程度的激光氮化锆基非晶合金表面微孔洞修复。
进一步的，步骤一中所述的非晶合金样品的纳秒激光氮化制备过程及后处理过程为：利用激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，重复频率为600kHz的纳秒激光器在激光功率为3.7W，扫描速度为10mm/s，相邻扫描线搭接率为70％，扫描次数为1和3的条件下进行氮气环境中激光扫描，然后使用1μm粒度的金刚石抛光膏将激光扫描表面抛光60分钟。
进一步的，步骤一中所述的纳秒激光氮化后的非晶合金样品的表面微孔洞半径为1～5μm，微孔洞深度为0.1～0.5μm。
本实施例用于说明本发明机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法。
选用厚度为2毫米，长度为20毫米，宽度为20毫米的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金块体，对其表面上进行打磨，依次使用400、800、1500和2000号砂纸打磨，然后用0.5微米金刚石颗粒抛光膏抛光至镜面光滑，利用酒精进行表面清洁。将该块体样品放置可通入氮气的长方体腔体内，镜面朝上，利用纳秒激光器按照设定的加工路径进行扫描，获得激光氮化表面。然后将该激光氮化样品固定在划痕测试***的平台上进行机械刻划试验，修复表面微孔洞。
实施例1：
图2给出了在激光平均功率3.7W，扫描速度10mm/s，相邻扫描线重叠率70％，重复扫描1次的试验条件下进行氮气氛围内激光扫描后，获取的激光氮化表面形貌图，可以看到，氮化表面存在明显的微孔洞。
图3给出了在图2试验条件下获得的激光氮化表面上进行刻划后的表面形貌，选取的法向载荷为50mN，刻划速度为20μm/s，可以看到，刻划区域表面微孔洞被填充，微孔洞数量及尺寸明显减小。
图4给出了在图2试验条件下获得的激光氮化表面上进行刻划后的表面形貌，选取的法向载荷为100mN，刻划速度为20μm/s，可以看到，随着法向载荷的增大，刻划区域材料塑性变形程度增强，表面微孔洞发生更加明显的挤压和填充，刻划区域表面微孔洞被完全修复。
实施例2：
图5给出了在激光平均功率3.7W，扫描速度10mm/s，相邻扫描线重叠率70％，重复扫描3次的试验条件下进行氮气氛围内激光扫描后，获取的激光氮化表面形貌图，可以看到，更大尺寸的微孔洞聚集在激光氮化表面上。
图6给出了在图5试验条件下获得的激光氮化表面上进行刻划后的表面形貌，选取的法向载荷为50mN，刻划速度为20μm/s，可以看到，刻划区域部分孔洞尺寸减小并被刻划产生的材料填充。
图7给出了在图5试验条件下获得的激光氮化表面上进行刻划后的表面形貌，选取的法向载荷为100mN，刻划速度为20μm/s，可以看到，刻划区域材料塑性变形程度增大，刻划区域表面微孔洞被明显修复，但仍然存在少量微孔洞。
图8给出了在图5试验条件下获得的激光氮化表面上进行刻划后的表面形貌，选取的法向载荷为200mN，刻划速度为20μm/s，可以看到，刻划区域表面微孔洞被完全修复。
从实例结果可以看出，通过对激光氮化锆基非晶合金表面进行机械刻划，使其表面微孔洞发生挤压变形及材料填充，可明显减少表面微孔洞。然而，为了实现表面微孔洞的完全修复，需要根据实际表面微孔洞的尺寸及数量来调节法向载荷，使刻划区域发生合适的塑性变形。
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 (3)

1.一种机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，其特征在于：利用配有维氏压头的划痕测试***对激光氮化表面进行机械刻划，刻划区域材料在压头移动过程中发生塑性变形，使得压头与材料作用区域的微孔洞发生挤压变形或材料填充，进而修复激光氮化表面微孔洞，具体步骤包括：
步骤一、通过螺纹将维氏压头固定在划痕测试***上，然后将纳秒激光氮化后的非晶合金样品固定在划痕测试***的刻划平台上，设定刻划起始位置、法向载荷以及刻划速度；
步骤二、维氏压头在50～200mN法向载荷作用下以20μm/s速度在激光氮化表面进行刻划，在刻划过程中，刻划区域表面微孔洞在法向力作用下发生挤压变形或材料填充，通过改变法向载荷，可以控制激光氮化锆基非晶合金表面塑性变形程度，从而实现不同程度的激光氮化锆基非晶合金表面微孔洞修复。
2.根据权利要求1所述的机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，其特征在于：步骤一中所述的非晶合金样品的纳秒激光氮化制备过程及后处理过程为：利用激光脉冲宽度为10ns，波长为1064nm，重复频率为600kHz的纳秒激光器在激光功率为3.7W，扫描速度为10mm/s，相邻扫描线搭接率为70％，扫描次数为1和3的条件下进行氮气环境中激光扫描，然后使用1μm粒度的金刚石抛光膏将激光扫描表面抛光60分钟。
3.根据权利要求1所述的机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法，其特征在于：步骤一中所述的纳秒激光氮化后的非晶合金样品的表面微孔洞半径为1～5μm，微孔洞深度为0.1～0.5μm。
CN202210840768.4A 2022-07-18 2022-07-18 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法 Active CN114985903B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210840768.4A CN114985903B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210840768.4A CN114985903B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114985903A true CN114985903A (zh) 2022-09-02
CN114985903B CN114985903B (zh) 2023-06-13

Family

ID=83021150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210840768.4A Active CN114985903B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114985903B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010035447A1 (en) * 2000-05-05 2001-11-01 Andreas Gartner Methods for laser cut initiation
CN101422797A (zh) * 2007-10-31 2009-05-06 中国科学院金属研究所 一种金属板材成形方法
CN201261076Y (zh) * 2008-08-27 2009-06-24 浙江万丰摩轮有限公司 表面缺陷修复挤压刀
CN106392460A (zh) * 2016-11-04 2017-02-15 上海航天精密机械研究所 镁、铝合金铸件缺陷修复方法
CN108546893A (zh) * 2018-05-17 2018-09-18 吉林大学 氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法
CN109740184A (zh) * 2018-12-07 2019-05-10 吉林大学 二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法
JP2019076951A (ja) * 2017-10-27 2019-05-23 三菱重工業株式会社 補修装置および補修方法
CN111687587A (zh) * 2020-05-31 2020-09-22 西安交通大学 一种发动机叶盘叶片凹坑尖锐损伤钝圆修复方法
CN212042358U (zh) * 2020-04-29 2020-12-01 广东质好建筑模架科技有限公司 用于快速修补铝合金模板孔洞的冲压模具
CN113275740A (zh) * 2021-05-24 2021-08-20 吉林大学 激光抛光实现激光氮化锆基非晶合金表面平坦化的方法
CN113686679A (zh) * 2021-08-26 2021-11-23 山东建筑大学 一种半导体晶体高速机械刻划试验方法以及试验装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010035447A1 (en) * 2000-05-05 2001-11-01 Andreas Gartner Methods for laser cut initiation
CN101422797A (zh) * 2007-10-31 2009-05-06 中国科学院金属研究所 一种金属板材成形方法
CN201261076Y (zh) * 2008-08-27 2009-06-24 浙江万丰摩轮有限公司 表面缺陷修复挤压刀
CN106392460A (zh) * 2016-11-04 2017-02-15 上海航天精密机械研究所 镁、铝合金铸件缺陷修复方法
JP2019076951A (ja) * 2017-10-27 2019-05-23 三菱重工業株式会社 補修装置および補修方法
CN108546893A (zh) * 2018-05-17 2018-09-18 吉林大学 氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法
CN109740184A (zh) * 2018-12-07 2019-05-10 吉林大学 二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法
CN212042358U (zh) * 2020-04-29 2020-12-01 广东质好建筑模架科技有限公司 用于快速修补铝合金模板孔洞的冲压模具
CN111687587A (zh) * 2020-05-31 2020-09-22 西安交通大学 一种发动机叶盘叶片凹坑尖锐损伤钝圆修复方法
CN113275740A (zh) * 2021-05-24 2021-08-20 吉林大学 激光抛光实现激光氮化锆基非晶合金表面平坦化的方法
CN113686679A (zh) * 2021-08-26 2021-11-23 山东建筑大学 一种半导体晶体高速机械刻划试验方法以及试验装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEBRUPA LAHIRI 等, SCRATCH INDUCED DEFORMATION BEHAVIOR OF HAFNIUM BASED BULK METALLIC GLASS AT MULTIPLE LOAD SCALESR OF TIZRHFBECU(NI) HIGH ENTROPY BULK METALLIC GLASSES *
张立峰 等, 单向复合材料C/SIC纳米刻划实验研究 *
黄虎, 中国博士学位论文全文数据库, no. 09 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114985903B (zh) 2023-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mower Degradation of titanium 6Al–4V fatigue strength due to electrical discharge machining
Yin et al. High-quality grinding of polycrystalline silicon carbide spherical surfaces
Wang et al. Angle-dependent lubricated tribological properties of stainless steel by femtosecond laser surface texturing
Yin et al. Influence of microstructure on ultraprecision grinding of cemented carbides
CN113275740B (zh) 激光抛光实现激光氮化锆基非晶合金表面平坦化的方法
Wang et al. Modulation of dry tribological property of stainless steel by femtosecond laser surface texturing
Li et al. Surface integrity of bearing steel element with a new high-efficiency shear thickening polishing technique
Bharatish et al. Effect of scanning speed and tin content on the tribological behavior of femtosecond laser textured tin-bronze alloy
Micallef et al. Surface finishing and tool wear in single point diamond turning of chemical vapour deposited tungsten carbide hard coatings
CN114985903A (zh) 机械刻划修复激光氮化非晶合金表面微孔洞的方法
Jones et al. Experimental investigation of laser texturing and its effect on friction and lubrication
Jasinevicius et al. Size effects in ultraprecision machining of aluminum alloys: Conventional aa6061-t6 and rsa 6061-t6
Ralls et al. Unraveling the friction and wear mechanisms of surface nanostructured stainless-steel
Ben Fredj et al. Fatigue life improvements of the AISI 304 stainless steel ground surfaces by wire brushing
Zhao et al. Manufacturing of high-precision surface micro-structures on stainless steel by ultrasonic impact peening
Denkena et al. Surface texturing of rolling elements by hard ball-end milling and burnishing
Fang et al. Frictional performance assessment of cemented carbide surfaces textured by laser
Basha et al. Experimental investigation on deballing and surface finishing of selective laser melted 18Ni300 steel using polymer rheological abrasive medium
Kadivar et al. Surface integrity in micro-grinding of Ti6Al4V considering the specific micro-grinding energy
Voyer et al. Friction reduction through sub-micro laser surface modifications
Fernández-Lucio et al. Analysis of the influence of the hydrostatic ball burnishing pressure in the surface hardness and roughness of medium carbon steels
KR100968859B1 (ko) 펨토초레이저를 이용한 미세 패턴이 형성된 직선 또는 회전베어링 및 이것의 특성을 측정하는 방법
Huang et al. High-load fretting of Ti–6Al–4V interfaces in point contact
Sagbas Surface texture properties and tribological behavior of additive manufactured parts
JP4541062B2 (ja) 機能部材およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant