一種金屬基體或涂層表面制備規則微織構的加工方法技術

一種金屬基體或涂層表面制備規則微織構的加工方法屬于激光加工和微磨料噴射加工技術領域。包括掩膜制備和織構加工：掩膜制備：選用金屬或者無機材料作為掩膜板材，采用激光加工方法在板材上加工出圖案；掩膜板的厚度為50--300μm，掩模板的厚度與最小織構圖案的直徑的比值應保證在0.5-1.2；?織構加工：將金屬基體或涂層表面進行打磨、清洗后，將掩膜固定到所要加工金屬基體或涂層的表面，利用微磨料噴射加工技術進行沖蝕加工，沖蝕壓力選用0.3~0.8MPa，選用粒徑低于50μm的硬質磨料顆粒，噴槍的氣體射流噴嘴直徑為1~3mm。本方法具有適用范圍廣、加工效率高、成本低、精度高、可重復性好、加工圖案可控等特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種具有優異摩擦學表現的規則微織構表面的加工方法，屬于激光加工技術和微磨料噴射加工

技術介紹
環境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主要問題。機電產品制造業是能源和資源的最大應用領域，也是造成環境污染的重要源頭。機械設備的運轉離不開摩擦。摩擦在車輛的制動、離合器的閉合、螺栓螺母的緊固等工況中，摩擦發揮有益的作用；而存在于發動機、齒輪、軸承、密封中的摩擦不僅消耗大量能源，甚至會引起零部件失效，導致設備故障。眾所周知，摩擦副表面的形貌對其摩擦行為以及耐磨性有很大的影響。近年來研究表明，利用先進的精細加工技術，在摩擦副表面制備規律分布或仿生的織構化圖案，對改善摩擦副的摩擦學性能起到積極作用。表面織構技術實現了對摩擦副表面的主動控制，為摩擦學研究開辟了新方向，成為摩擦學領域的研究熱點。表面織構技術是指通過各種精密加工手段在摩擦副表面制備出具有一定尺寸、規則排列的微凸體、凹坑及溝槽等，利用這些人造表面形貌，改善摩擦副摩擦潤滑條件的一種方法，織構的尺寸一般在幾十到幾百微米之間。表面織構減磨的機理主要有3個方面(1)高速輕載條件下，織構的凹坑和凹痕能夠起到儲油器的作用，摩擦副相對運動，帶動潤滑油在摩擦副表面形成潤滑膜，減少兩摩擦副表面間的直接接觸，形成動壓潤滑，降低摩擦、減少磨損；(2)在非液體潤滑條件下，表面織構能夠儲存磨損剝落磨粒，避免形成三體摩擦，起到減磨作用；(3)在相對低速重載條件下，潤滑液流體動壓失效，凹坑織構可以為潤滑液提供存儲空間，改善邊界潤滑條件下的摩擦性能。除了減磨作用外，表面織構還能夠起到提高承載能力的作用；在頻繁啟動/停止工況下，織構中存儲的潤滑液能夠避免摩擦副之間發生干摩擦，導致突然升溫，造成設備損壞。因此在不影響摩擦副配合可靠性、運動精準性的前提下，在摩擦副表面制備結構合理的表面織構，能顯著改善摩擦副間的摩擦性能，提高其承載能力并延長其使用壽命，能有效的降低能耗，節約運行成本，對節能環保具有重要的意義。目前常用的表面織構制備技術主要有激光加工、光刻技術、磨料噴射技術、反應離子刻蝕、機械輥壓制備等。隨著表面織構技術的日臻完善以及織構加工技術的成熟，織構技術已初步在磁性存儲器、機械密封、活塞環、止推軸承等零件設備上開展了試驗研究。(I)激光加工。激光加工利用了激光高強度、高方向性的特點，激光照射后輻射區域瞬間會產生極高的溫度，使材熔化的金屬沿凹坑內壁流動，當液態金屬達到一定體積時，就會向外流出，形成織構凹坑，流出的金屬會附著在凹坑邊緣，形成熱影響區，如圖1所示。這使得激光加工后的表面需要拋磨后處理，才能滿足實際需求。采用不同波段的激光器，可實現在金屬、陶瓷、玻璃等不同材料表面實現微加工。激光加工工藝簡單，成為目前表面織構加工應用最為廣泛的技術。(2)反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)。反應離子刻蝕是利用離子源中電離產生的離子，經加速聚焦后形成離子束，轟擊真空室中的工件表面，利用離子動能去除材料，是一種物理化學反應的刻蝕方法。反應離子束刻蝕具有較高的加工精度，能夠精確控制表面織構的圖案形貌(如圖2所示)，也可用作集成電路等微器件的制造，然而該技術較為復雜，需要輔助裝置以及氣氛保護，且加工效率低，使用范圍受限。( 3 )光刻技術。該技術目前主要應用于微電子機械加工和集成電路制造領域，主要用作高精度、結構復雜、多樣化掩膜的制備。通過與化學腐蝕、電化學腐蝕以及磨料噴射等技術結合，可以實現在金屬、陶瓷、高分子材料表面制備高精度的織構圖案。光刻技術掩膜制備工序復雜，需要清洗、涂(勻)膠、曝光、顯影、堅膜(如圖3所示)，加工結束后還需要專門的反應液去除光刻膠掩膜，光刻掩膜的制備對試樣表面的清潔度有非常高要求，且不適用與大面積制備，這嚴重限制了光刻技術適用范圍。然而隨著光刻技術的不斷改進，光刻法制備表面織構具有良好的應用前景。(4)機械加工。利用精密的數控微加工技術，能夠直接在工件表面加工出精度高、分布均勻的織構圖案，對加工表面不產生熱影響區，織構深度可控，圖4所示為機械輥壓原理圖。然而機械加工不適用于高硬度材料，加工邊緣會產生毛刺，且加工織構圖案單一。綜上所述，現有的表面織構制備技術都具有各自的局限性。激光加工由于會產生熱影響區，會嚴重降低表面織構的加工精度；且激光加工屬于單點加工方式，對成千上萬離散的織構凹坑分別加工，極大的降低了表面織構的加工效率，阻礙了表面織構技術的實際應用。反應離子刻蝕技術的加工成本較高，使用范圍窄。光刻技術由于掩膜制備工藝復雜，且對工件表面精度、尺寸要求高，限制了其應用范圍。機械輥壓等方法雖然加工效率、精度高，但模具的制備難度大、結構單一，加工過程中模具的局部損傷，就可能影響織構加工的整體效率。基于此，本專利技術旨在提出一種適用范圍廣、加工效率和精度高以及低成本的表面織構加工技術，進而推進表面織構技術的研究、應用和發展。
技術實現思路
針對表面微織構制備的技術現狀，本專利技術提出一種在金屬基體或涂層表面制備出一種具有良好摩擦學性能的規則微織構的加工方法，相對現有的金屬表面織構加工技術，該制備方法具有成本低、效率高、精度高、可重復性好等特點，且適用于大面積的織構加工。本專利技術制備上述具備優異性能的表面織構所采用的技術方案為一種具有優異摩擦性能的為織構加工方法，該方法通過激光加工技術和微磨料噴射加工技術相結合，實現在金屬基體或涂層表面加工出多種類型的規則表面織構，其形貌和尺寸與所制掩膜表面鏤空圖案一致。，其特征在于包括掩膜制備和織構加工兩個步驟掩膜制備選用金屬或者無機材料作為掩膜板材，采用激光加工方法在板材上加工出圖案；掩膜板的厚度為50--300μπι，掩模板的厚度與即最小織構圖案的直徑的比值應保證在O. 5-1. 2 ；織構加工將金屬基體或涂層表面進行打磨、清洗后，將制備的具有圖案的掩膜固定到所要加工金屬基體或涂層的表面，利用微磨料噴射加工技術進行沖蝕加工，沖蝕壓力選用O. 3^0. 8 MPa,選 用粒徑低于50 μ m的硬質磨料顆粒，磨料射流噴槍的磨料噴嘴直徑為I 3mm。進一步，硬質磨料為SiC或A1203。進一步，硬質磨料的用量為20_150g/cm2。當加工對象為硬質的脆性材料(如玻璃、陶瓷等)，磨料的用量為20-80g/cm2 ;當加工對象為韌性的金屬材料時，硬質磨料的用量為80_150g/cm2。進一步，掩模板的厚度與織構尺度即織構圖案直徑的比值應保證在1:1左右。所述的織構制備方法相關技術參數及主要步驟如下織構加工采用微磨料噴射加工方法，由于織構的尺度一般在500 μ m以下，所以需選用粒徑低于50 μ m的SiC或Al2O3等硬質磨料顆粒,在保證磨料粒徑均勻的基礎上,能夠避免織構加工過程中出現損傷。傳統的磨料噴射加工設備的噴嘴通常在之間，過大的噴嘴直徑會導致微磨料噴射過程中的粒子場過于分散，不利于形成集中的束流，不僅會降低粒子的沖擊了，也導致噴射粒子利用率的降低。因而有必要縮小磨料噴射噴嘴的直徑，實現束流集中。噴嘴直徑為f 3mm時束流較為集中，滿足后續微磨料噴射加工需求。原理說明步驟1:掩膜制備掩模板介于機體和噴槍直接，磨料噴射在加工織構的過程中對掩膜也會產生沖蝕磨損，掩模板材料應選用耐沖蝕性能好的材料，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金屬基體或涂層表面制備規則微織構的加工方法，其特征在于：包括掩膜制備和織構加工兩個步驟：掩膜制備：選用金屬或者無機材料作為掩膜板材，采用激光加工方法在板材上加工出圖案；掩膜板的厚度為50??300μm，掩模板的厚度與最小織構圖案直徑的比值應保證在0.5?1.2；織構加工：將金屬基體或涂層表面進行打磨、清洗后，將制備的具有圖案的掩膜固定到所要加工金屬基體或涂層的表面，利用微磨料噴射加工技術進行沖蝕加工，沖蝕壓力選用0.3~0.8?MPa，選用粒徑低于50μm的硬質磨料顆粒，磨料射流噴槍的磨料噴嘴直徑為1~3mm。

【技術特征摘要】
1.一種金屬基體或涂層表面制備規則微織構的加工方法，其特征在于包括掩膜制備和織構加工兩個步驟掩膜制備選用金屬或者無機材料作為掩膜板材，采用激光加工方法在板材上加工出圖案；掩膜板的厚度為50--300μπι，掩模板的厚度與最小織構圖案直徑的比值應保證在O.5-1. 2 ；織構加工將金屬基體或涂層表面進行打磨、清洗后，將制備的具有圖案的掩膜固定到所要加工金屬基體或涂層的表面，利用微磨料噴射加工技術進行沖蝕加工，沖蝕壓力選用O. 3^0. 8 MPa,選用粒徑低于50 μ m的硬質磨料顆粒，磨料射流噴槍的磨料噴嘴直徑...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張偉，于鶴龍，吉小超，魏敏，郭永明，汪勇，王紅美，宋占永，周新遠，
申請(專利權)人：中國人民解放軍裝甲兵工程學院，
類型：發明
國別省市：