基于多道次激光烧蚀与激光抛光的表面织构构建

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表面织构是存在于材料表面上的特殊微小结构,具有一定分布规律和特定形貌,能通过一些加工方法在固体表面上获得。摩擦副表面织构化已成为流体润滑领域改善摩擦副性能的一种重要方法。由于受加工方式限制,目前研究对象主要以底面形状不可控的织构为主。近年来的模拟研究和实验结果表明,通过调控激光加工中的工艺参数能实现一些特定织构的构建,但是对织构的形成机理及形貌影响规律的实验研究较为缺乏。为实现制备出具有可控底部形状的表面织构,本文通过激光烧蚀和激光抛光的加工方法考察了激光工艺参数对织构形貌的影响规律。具体开展了如下工作:首先,根据纳秒激光烧蚀的工作特点,研究激光加工参数对单线烧蚀的影响规律。通过在1060铝合金上进行激光烧蚀,采取单因素变量法,加工出线性点坑组合、凹坑点阵组合及线槽等形貌,研究了激光功率、扫描次数和离焦量对凹坑或线槽织构的作用规律。结果表明:凹坑和线槽织构的深度和开口宽度的变化各不相同,是由不同的控制机制决定;激光烧蚀织构形貌存在一定能量累积上限。这就意味着通过激光烧蚀能够实现织构形貌的横向和纵向调控,为具有可控底部形状的织构的加工提供了参考价值。其次,为初步构建出具有楔形的底部形状的表面织构,对激光单次烧蚀进行组合设计,即进行多道次激光烧蚀,考察激光烧蚀过程中的重熔分布现象。通过加工出线性点坑偏移组、凹坑点阵偏移组和双线搭接组,研究了点重叠率、线搭接率和烧蚀次数对织构形貌的作用规律。结果表明:激光组合烧蚀的凹坑组和线槽组在不同程度的激光能量重叠的影响下,织构的深度和开口宽度呈现出截然不同的变化趋势,说明激光组合烧蚀过程中熔体的重熔分布具有方向性和选择性。在此基础上对已开展的激光烧蚀的实验过程进行归纳,选定几组合适的激光加工工艺参数并进行优化,构建出“深度较浅,宽度不窄”的类似楔形或接近斜面的织构,验证了激光烧蚀实验中提出的能量累积机理和熔体重熔分布机制。然后,通过在718合金和304不锈钢上对已有的表面织构进行二次精加工即激光抛光考察了激光抛光特有现象—波纹效应的形成原因。结果发现:激光抛光产生的波纹(尺度为数十微米)与激光脉冲作用间距(10微米)差别较大;不同激光能量产生的波纹在幅度上有差别,波纹的振幅随激光能量的减小而减小;波纹波长随激光能量的变化不大,具有一定的稳定性。研究表明:波纹的产生是涉及材料对激光能量的吸收、熔体流动、材料蒸发甚至脉冲时序的复杂过程,其根源在于激光抛光时交替先后作用于熔体和高温固体而产生的熔体流动差别。最后,引入激光抛光精细化策略,分别对1060铝合金光板和多道次激光烧蚀构建出的表面织构阵列进行激光抛光,分析激光抛光的影响因素,研究激光抛光对织构形貌的作用规律。结果发现:较低的激光功率和较小的扫描线间距有着更好的抛光效果;在扫描线间距和扫描路径在不同能量下,影响着激光抛光的控制机理,导致过程熔融物发生方向性分布,进而影响了表面形貌;激光抛光织构后凸起降低,深径比大幅度减小,织构的截面轮廓得到了优化;激光抛光中材料的转移具有方向性,抛光后织构的深度和外侧凸起高度的变化具有相关性,越浅的织构,外侧堆积物越多,对应的凸起高度越高;激光抛光无法降低阵列织构表面的粗糙度,随着抛光功率的增加,表面亮度减小,分析认为可能是抛光产生的规则小圆孔吸收了更多的入射光,影响了抛光表面的光泽度。本文的研究结果为通过激光加工构建出具有可控底部形状的表面织构提供了一定的实验基础和理论依据,这对表面织构化和摩擦副形状的改善具有一定的参考和借鉴价值。
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