[发明专利]微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微制造技术领域，具体涉及一种微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法。

背景技术

近年来，为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加，铝合金零部件的加工也变得越来越重要。由于铝合金熔点偏低且延展性高，切削时刀具刃部极易发生粘刀现象，不仅影响到被加工工件的表面粗糙度，而且刀具早期破损现象严重，远远不能达到预期的使用寿命。类似这样的刀具的早期剧烈磨损，在航空航天、能源等领域使用的高温铝合金零部件等难加工材料的高速切削过程中并不鲜见，已成为影响装备制造业发展的重要问题。

解决铝合金切削过程中刀具磨损和切屑粘附的有效方法之一是对刀具供给足够的切削液，然而大量使用切削液却带来了严重的环境污染问题，许多国家已经把切削液列为危险性的废料，国际环境保护组织也调整了切削液的排放策略。实际上，切削液排放不但带来环境问题，还消耗了大量制造成本。研究发现，近年来润滑液的成本已经由切削总成本的3％上升至16.9％，远高于刀具成本(占总成本的7.5％)。因此，最近几年微量润滑切削的概念逐渐被提倡。如何在微量润滑的情况下消除或减轻刀具的磨损，这是目前切削加工中面临的一个重要问题。

刀具表面涂覆技术给切削领域带来了革命性的变化，目前工业生产中50％的高速钢刀具、85％的硬质合金刀具、40％的超硬刀具都采用了涂层化技术。刀具涂层技术的发展降低了切削过程对切削液的依赖程度，目前，国际上对涂层刀具的研究工作大都属于材料的范畴，主要集中在涂层的化学组分和结合性能以及相关涂层材料的制备方面。实际上，涂层的表面特性(如摩擦特性)还可以通过改变涂层的表面物理结构或形貌实现。如果能够在现有先进涂层技术的基础上，实现刀具表面的三维结构化，则有望进一步提高刀具表面的摩擦学特性。

表面织构技术就是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。刀具表面织构化，是在刀具表面或刀具涂层表面的特定位置上加工出各种图形的微结构阵列，通过改变刀具表面的摩擦学特性来提高刀具的使用寿命。微米量级织构能够捕获切屑来减少磨损，而纳米量级织构在阻断切屑对刀具表面的剪切方面更为有效，两种尺寸量级织构的组合则可能综合二者的优势，进一步提高刀具耐磨性能。目前受微加工技术所限，已有刀具表面织构技术中，所形成的微结构大都在亚毫米级到几十微米级的尺寸范围内，很难获得微米和纳米级尺度的结构。另外，由于现有大部分刀具材料去除方法都存在严重的热作用和较大的热影响区，因此这些技术用于涂层表面织构化时会造成大范围的涂层脱落和失效，限制了涂层技术与表面织构化技术的结合。由于已有的表面织构化技术难以形成微纳跨尺度织构，且会造成刀具涂层的脱落和失效，若能对刀具表面和刀具涂层表面进行跨尺度范围无热影响区的织构化，将有助于大幅提升切削刀具的润滑、抗磨损、抗粘附能力，延长刀具使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，采用飞秒激光对涂层刀具表面进行微米到纳米级跨尺度织构化，改善刀具的抗磨损性能，提高其使用寿命，提高刀具使用性能开拓新的途径，有望实现高速高精度微润滑切削，并解决铝合金的切削加工难问题，提高制造业的整体水平。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

利用飞秒激光能加工任意材料、微纳尺度精确加工以及无热影响的特性，在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构或利用飞秒激光在刀具表面待加工的位置直接加工所需面积的织构，然后在织构过的刀具表面蒸镀涂层，该织构由以下三种结构群组成：尺寸在1μm～200μm的微米结构、尺寸在50nm～1μm的纳米结构或微米与纳米的复合结构。

所说的利用飞秒激光在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的织构的具体步骤如下：

1)首先，在刀具基体表面进行涂层蒸镀；

2)其次，在蒸镀过涂层的刀具表面，用飞秒激光烧蚀去除的方法在涂层刀具表面待加工的位置加工所需面积的微米结构、纳米结构或微米与纳米复合结构的槽结构群；

3)最后，采用大光斑尺寸、低能量密度飞秒激光扫描的方法，在已形成的槽结构群的表面上扫描出均匀的织构。

刀具涂层表面直接织构化的过程中，当所需织构深度超过涂层厚度时，飞秒激光将同时加工涂层材料和基底材料，而基材和涂层的材料物理特性相差较大，使得双层材料的飞秒激光烧蚀去除难度加大，精度不易控制。同时，织构过刀具表面会出现涂层的不连续。基于上述原因，本发明提出了两步微纳复合织构法，其加工步骤如下：