CN115161583A

CN115161583A - 一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法

Info

Publication number: CN115161583A
Application number: CN202210680438.3A
Authority: CN
Inventors: 魏先顺; 廖宗艺; 梁严
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2022-10-11

Abstract

本发明涉及一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理；将处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理，随后将预热后的产品置于纳秒脉冲激光加工系统的工作台上，进行激光处理，最终在涂层表面获得重熔层；对激光处理后的样品进行清洁处理。本发明提供的方法利用纳秒脉冲激光加工系统，通过改变激光参数如扫描频率、扫描速度、激光功率对非晶合金涂层表面的重熔深度、致密度等进行控制；不需要额外添加化学试剂，绿色环保；加工速度更快，能提高生产效率；相较于连续激光表面重熔，使用纳秒脉冲激光，其热效应更小，有助于保持涂层的非晶结构，提高了涂层表面部分的致密度及其性能。

Description

一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法

技术领域

本发明涉及表面激光处理技术领域，尤其是涉及一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法。

背景技术

铁基非晶合金具有优异的软磁性能、力学性能以及耐腐蚀性能，目前在电力电子领域应用广泛。但是由于其玻璃形成能力与临界尺寸的限制，铁基非晶合金依然不能满足大部分工业零件的制造和应用。通过气体保护焊、热喷涂、激光熔覆和磁控溅射等技术，可将铁基非晶合金颗粒沉积在基材上形成铁基非晶合金涂层，制备出的铁基非晶合金涂层具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性，因此是具有巨大应用潜力的涂层防护材料。目前利用超音速火焰喷涂技术HVAF制备的铁基非晶涂层在保持非晶结构的同时具有较低的孔隙率，但涂层内部仍然存在一部分的孔隙和微裂纹等缺陷，制约着铁基非晶涂层的进一步工业化应用。

使用传统的连续激光对铁基非晶合金涂层进行表面重熔处理时，由于激光束对某一区域激光作用时间过长，导致热影响区范围过大、冷却速度较慢，在涂层重熔的热影响区域发生内部形核与结晶，造成结构不均匀性从而影响涂层整体的性能。专利CN201910870590.6利用连续激光熔覆直接制备铁基非晶涂层，获得的涂层具有较多晶化相。

专利CN201610716340.3利用纳秒脉冲激光对金属材料进行激光熔凝硬化，其中金属材料可以为钛合金，铸铁，钢，镍基合金，金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度而熔化，随后借助于冷态金属基体的吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固，产生新的表面硬化层。该专利中所采用的激光功率为20W，40W，扫描速度为200mm/s，该专利中所获得的重熔层深度为170μm，对于非晶合金涂层而言，若重熔层深度过大，则会导致重熔层底部出现较大的热影响区，热影响区内部的结构会因冷却速度较低而形成结晶相，不利于非晶合金涂层的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，具体而言是利用纳秒脉冲激光处理提高铁基非晶合金涂层表面致密度的方法。该方法可应用于非晶合金涂层的表面处理，使涂层的获得更好的致密度和性能特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，具体而言是利用纳秒脉冲激光处理提高铁基非晶合金涂层表面致密度的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理；

步骤(2)：将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理，随后将预热后的产品迅速置于纳秒脉冲激光加工系统的工作台上，进行激光处理，最终在涂层表面获得重熔层，所述重熔层深度为15～30μm；

步骤(3)：对激光处理后的样品进行清洁处理。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料是利用超音速空气火焰喷涂技术HVAF制备的。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料为FeCrMoWCBY铁基非晶合金涂层材料。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料厚度在180-220μm，并用线切割制成10mm×10mm×10mm的块状样品。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理的方法包括：对铁基非晶合金涂层材料进行打磨以去除氧化层，以及用丙酮和无水乙醇超声清洗去除表面油污。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行打磨所用砂纸为800目SiC砂纸。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理的条件为：在100℃条件下预热半小时。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，进行激光处理的方法为：按照预先设定的激光参数，启动脉冲激光加工系统，在振镜和机械手的共同作用下，产生的线形激光在涂层表面上以一定速度扫描。

在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，进行激光处理时，设定的激光参数为：激光脉宽为110ns，激光脉冲频率为30kHz，激光功率为300W～500W，激光扫描频率为60Hz～120Hz，激光头行走速度为1mm/s和3mm/s，激光扫描轨道重叠率为96.4％-98.1％。

在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，进行清洁处理的方法为采用酒精清洗。

本发明使用的纳秒脉冲激光表面处理技术是一种新型表面处理技术，具有峰值功率高、热作用效应小、加热冷却极快等优点，可以对材料表面进行快速熔化凝固，从而实现其微观组织结构及服役性能的调控。采用纳秒脉冲激光对铁基非晶合金涂层进行重熔能有效避免结晶问题，非晶涂层在与脉冲激光作用过程中快速加热和冷却，因为冷却速率超过了非晶合金的临界冷却速率，所以涂层会维持整体的非晶结构；同时纳秒脉冲激光与涂层表面作用时会形成等离子体，等离子体膨胀破裂时会产生冲击效应。在经历表面重熔和等离子冲击效应后，涂层表面的孔隙和微裂纹等缺陷得以消除，得到的致密度更高的涂层具有更优异的性能。

本发明公开了一种利用纳秒脉冲激光处理提高铁基非晶合金涂层表面致密度的方法，开辟了一种新的提高铁基非晶合金涂层表面致密度的方法，利用脉冲激光使涂层局部区域在瞬间被加热到相当高的温度后熔化，随后快速冷却凝固，涂层内部原有的孔隙和微裂纹等缺陷大部分被消除，形成更为致密的表面层。

本发明通过改变激光参数如扫描频率、扫描速度、激光功率对非晶合金涂层表面的重熔深度、致密度等进行控制；具体而言，本发明所采用的激光功率更高(优选为500W)，扫描速度更快(激光扫描频率为60Hz～120Hz，60Hz的扫描频率对应的横向扫描速度是2400mm/s)，本发明采用更高的功率和扫描速度意味着材料表面更快的加热和冷却速率，更有利于材料在重熔后依然维持非晶结构，并且基于本发明限定的工艺条件，最后所得重熔层深度更小，为15～30μm。由于所得重熔层深度较小，不会导致形成结晶相，能够维持其非晶结构，有利于非晶合金涂层的整体性能。

同时，本发明方法不需要额外添加化学试剂，绿色环保；加工速度更快，能提高生产效率；相较于连续激光表面重熔，使用纳秒脉冲激光，其热效应更小，有助于保持涂层的非晶结构，提高了涂层表面部分的致密度及其性能。相比于退火、封孔处理等传统的热喷涂非晶合金涂层表面后处理工艺和连续激光重熔工艺，本发明的优点在于：

(1)工艺简单高效、成本低，利用线形脉冲激光可实现连续大规模作业；脉冲激光热效应较小，非晶涂层在脉冲激光的作用下快速熔化和凝固，能够维持其非晶结构；

(2)脉冲激光的冲击效应能够使得涂层表面更加致密；非晶合金涂层原有的表面缺陷减少，致密度提高，可有利其耐磨性、耐蚀性等性能的提高，进一步拓宽其应用前景。

附图说明

图1所示为本发明方法流程图。

图2所示为激光扫描示意图。

图3所示为实施例1制备的表面重熔层截面SEM图。

图4所示为实施例1制备的表面重熔层和原涂层在3.5％(wt)NaCl溶液中的极化曲线图。

图5所示为实施例2制备的表面重熔层截面SEM图。

图6所示为实施例3制备的表面重熔层截面SEM图。

图7所示为实施例4制备的表面重熔层截面SEM图。

具体实施方式

本发明提供一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，具体而言是利用纳秒脉冲激光处理提高铁基非晶合金涂层表面致密度的方法，参考图1，包括以下步骤：

步骤(1)：对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理；

步骤(2)：将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理，随后将预热后的产品迅速置于纳秒脉冲激光加工系统的工作台上，进行激光处理，最终在涂层表面获得重熔层；

步骤(3)：对激光处理后的样品进行清洁处理。

其中，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料是利用超音速空气火焰喷涂技术HVAF制备的。步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理的方法包括：对铁基非晶合金涂层材料进行打磨以去除氧化层，以及用丙酮和无水乙醇超声清洗去除表面油污。步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行打磨所用砂纸为800目SiC砂纸。

步骤(2)中，将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理的条件为：在100℃条件下预热半小时。步骤(2)中，进行激光处理的方法为：按照预先设定的激光参数，启动脉冲激光加工系统，在振镜和机械手的共同作用下，产生的线形激光在涂层表面上以一定速度扫描。步骤(2)中，进行激光处理时，设定的激光参数为：激光脉宽为110ns，激光脉冲频率为30kHz，激光功率为300W～500W，激光扫描频率为60Hz～120Hz，激光头行走速度为1mm/s和3mm/s，激光扫描轨道重叠率为96.4％-98.1％。

步骤(3)中，进行清洁处理的方法为采用酒精清洗。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明实施例所应用的设备为CLEANLASER公司的纳秒脉冲激光加工系统CL500，其主要设备包括：计算机、激光器、机械手、氩气保护气及工作台。激光扫描的示意图如图2所示，线形激光由振镜在一定的扫描频率下摆动产生，并且激光头随机械手的移动而做纵向的移动，脉冲激光扫描形成Z字形的扫描轨迹。

实施例1

(1)取10mm×10mm×10mm大小的FeCrMoWCBY铁基非晶涂层样品，用800砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于丙酮和无水乙醇中超声清洗。

(2)在100℃条件下预热半小时，将样品置于CLEANLASER公司的纳秒脉冲激光加工系统的工作台上，设置激光功率为500W，扫描频率为60Hz，激光器行走速度为3mm/s，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下激光处理后样品块，用无水酒精冲洗吹干。

如图3所示为实施例1加工后所得的铁基非晶合金涂层的截面SEM，由图所示，经纳秒脉冲激光处理后涂层表面有厚度约30.0μm的重熔层，重熔层显示出了于基体更加致密的组织结构，激光重熔消除了大部分的涂层原有的层片结合区域以及孔隙。如图4所示为实施例1激光处理后所得铁基非晶合金涂层与未处理样品的3.5wt.％NaCl溶液中的极化曲线，由图所示，重熔后合金自腐蚀电位相对于未处理样品有所提高，耐腐蚀性能有所提升。

实施例2

按照实施例1的方法进行脉冲激光表面处理，与实施例1的不同之处在于扫描频率为80Hz。如图5所示为实施例2加工后所得的铁基非晶合金涂层的截面SEM，由图所示，经纳秒脉冲激光处理后涂层表面有厚度约16.5μm的重熔层。

实施例3

按照实施例1的方法进行脉冲激光表面处理，与实施例1的不同之处在于扫描频率为100Hz。如图6所示为实施例3加工后所得的铁基非晶合金涂层的截面SEM，由图所示，经纳秒脉冲激光处理后涂层表面有厚度约15.7μm的重熔层。

实施例4

按照实施例1的方法进行脉冲激光表面处理，与实施例1的不同之处在于扫描频率为120Hz。如图7所示为实施例4加工后所得的铁基非晶合金涂层的截面SEM，由图所示，经纳秒脉冲激光处理后得到的重熔层厚度为15.4μm。

实施例2、例3和例4所得到的重熔层厚度较为接近，但远小于例1的厚度。相较于60Hz，在80Hz、100Hz和120Hz的脉冲激光扫描频率下，涂层表面经历了更快的激光扫描速度，激光与涂层作用的时间更少，从而导致重熔层厚度较小，并且由于扫描频率更大，相邻扫描轨道之间的重叠率更大，单个区域在经受更多次的激光扫描后容易出现横向裂纹，极大的破坏了涂层的致密度。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，利用纳秒脉冲激光处理提高铁基非晶合金涂层表面致密度，包括以下步骤：

步骤(1)：对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理；

步骤(2)：将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理，随后将预热后的产品置于纳秒脉冲激光加工系统的工作台上，进行激光处理，最终在涂层表面获得重熔层，所述重熔层深度为15～30μm；

步骤(3)：对激光处理后的样品进行清洁处理。

2.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料是利用超音速空气火焰喷涂技术HVAF制备的。

3.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料为FeCrMoWCBY铁基非晶合金涂层材料。

4.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁基非晶合金涂层材料厚度在180-220μm，并用线切割制成10mm×10mm×10mm的块状样品。

5.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行表面清洁处理的方法包括：对铁基非晶合金涂层材料进行打磨以去除氧化层，以及用丙酮和无水乙醇超声清洗去除表面油污。

6.根据权利要求5所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，对铁基非晶合金涂层材料进行打磨所用砂纸为800目SiC砂纸。

7.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，将步骤(1)处理后的铁基非晶合金涂层材料进行预热处理的条件为：在100℃条件下预热半小时。

8.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，进行激光处理的方法为：按照预先设定的激光参数，启动脉冲激光加工系统，在振镜和机械手的共同作用下，产生的线形激光在涂层表面上以一定速度扫描。

9.根据权利要求8所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，进行激光处理时，设定的激光参数为：激光脉宽为110ns，激光脉冲频率为30kHz，激光功率为300W～500W，激光扫描频率为60Hz～120Hz，激光头行走速度为1mm/s和3mm/s，激光扫描轨道重叠率为96.4％-98.1％。

10.根据权利要求1所述的一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中，进行清洁处理的方法为采用酒精清洗。