一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法
阅读说明：本技术 一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法 (Method for improving surface processing quality of soft metal by laser-assisted modification ) 是由 赖敏 薛志富 房丰洲 游开元 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法,利用激光产生的热效应使软质金属表面亚表面材料快速熔化,再冷却后形成晶粒细化改性层,该晶粒细化改性层改变了材料晶界状态,提升了材料的可加工性。本发明所提出的方法,不但可以应用于平面加工,也可以应用于曲面加工、微结构加工。(The invention relates to a method for improving the processing quality of a soft metal surface by using laser-assisted modification, which utilizes the thermal effect generated by laser to rapidly melt the sub-surface material of the soft metal surface and form a grain refinement modified layer after cooling, wherein the grain refinement modified layer changes the grain boundary state of the material and improves the machinability of the material. The method provided by the invention can be applied to plane processing, curved surface processing and microstructure processing.)
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，涉及激光技术，尤其是一种利用激光技术对软质金属表面进行改性从而提升材料可加工性能的方法。
背景技术
先进科学实验装置的部分关键功能性元件的加工需要采用超精密加工方法实现，且对加工表面完整性(包括表面粗糙度、缺陷、微观组织，残余应力等方面)提出了越来越高的均一化可控制造要求。超精密加工表面完整性，特别是表面粗糙度、缺陷可控与加工极限是目前急需解决的问题。
软质低熔点材料(如紫铜、锡、铅及其合金等)在高科技领域占有非常重要的地位，但这类软质金属材料的微纳尺度加工过程极易产生塑性变形，在微结构加工过程中易形成表面划痕、凹坑等缺陷以及侧向流动，难以实现高面形精度与低表面粗糙度。因此，基于表面改性的加工性能调控技术在提高软质材料抗变性能力与加工精度方面具有重要的作用。
表面改性一般可通过元素掺杂、表面热处理或机械方法实现，但存在以下问题：(1)表面改性技术大多被应用于传统加工，而并非超精密加工领域；(2)传统的表面改性工艺旨在提高部件的表层强度、耐磨性，处于机械加工环节之后，而本发明欲通过该技术提高软质金属的可加工性能，是一种预处理手段，因此对改性后的材料组织提出了更高的均一化要求。作为软质金属超精密加工的新方法，目前尚没有相关的文献报导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种激光辅助软质金属改性的方法，使用激光技术在软质金属表面形成晶粒细化层，并提升材料的硬度。对改性后的材料进行超精密加工，可获得更高质量的加工表面。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法，利用激光产生的热效应使软质金属表面亚表面材料快速熔化，再冷却后形成晶粒细化改性层，该晶粒细化改性层改变了材料晶界状态，提升了材料的可加工性。
而且，所述软质金属为莫氏硬度≤3，熔点≤1200℃的金属及合金，进一步的，所述的软质金属为铅、锡、锌、镁、银、金、铝或铜及其合金。
而且，所述的激光加工工艺参数为：激光功率密度104～107W/mm2，扫描速度1～100mm/s，重复率1～200μm。
而且，所述冷却包括空冷或乙醇喷涂或液氮冷却或水冷的一种或两种以上方式的组合，冷至加工所需温度。
而且，所述表面加工为各种加工方法，包括超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削以及超精密抛光的一种或两种以上加工方式的组合。
而且，在激光改性处理前，对软质金属进行预处理，去除表面氧化层。
而且，可对样件进行多次不同功率、不同加工时间的激光改性处理调制。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提供了一种高效、高精度的软质金属及合金元件超光滑表面加工新方法。此方法提升了软质金属及合金材料的可加工性。
2、本发明采用激光表面改性辅助超精密加工的方法，可以有效实现软质金属及合金元件高质量加工。
3、本发明所提出的方法，不但可以应用于平面加工，也可以应用于曲面加工、微结构加工。
附图说明
图1为软质金属及其合金激光辅助改性原理图；
图2为软质金属及其合金激光辅助改性工艺过程流程图；
图3a为未改性材料表层晶粒分布EBSD表征图像；
图3b为改性后材料表层晶粒分布EBSD表征图像；
图4a为未改性材料表层硬度纳米压痕测试；
图4b为改性后材料表层硬度纳米压痕测试；
图5a为未改性材料超精密加工表面白光干涉测量图像；
图5b为改性后材料超精密加工表面白光干涉测量图像。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1为软质金属及其合金激光辅助改性原理图。首先，采用激光在表面扫描的方式对样品表面进行改性，获得一定深度的改性层。然后，对样品在改性层内进行超精密加工，以实现高质量的加工表面。
图2为软质金属及其合金激光辅助改性工艺过程流程图。本发明采取的技术方案是：将激光器固定在机械支架上，金属坯料装夹在位移台上，调整激光光斑在坯料的初始位置，通过程序控制位移台的运动使激光在金属坯料表面作扫描运动，选取合适的激光功率密度，控制温度达到金属的相变点或熔点，从而进行改性。具体包括以下步骤：
(1)对金属坯料进行切割、研磨等操作，得到样品；
(2)将样品通过夹具安装到电动位移台上；
(3)调整激光出射光路相对样品表面的位置和距离，选取合适的光斑大小；
(4)设置激光功率密度、扫描速度、重复率和改性区域；
(5)根据被加工金属的特性，可选惰性气体保护装置：如果需改性金属在激光作用下与空气中的成分反应影响改性质量，则启用惰性气体保护装置，防止高温作用下金属与空气反应；
(6)进行激光改性，并施加合适的冷却方式，得到改性后的样品表面；
(7)对改性后的表面，根据软质金属及合金器件的具体加工需求选择合适的超精密加工手段，包含但不限于超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削等手段；
(8)采用测量设备对加工结果进行表征与评价。
本发明的主要技术难题在于软质金属及其合金元件的激光辅助改性工艺，超精密加工等技术手段已经很成熟。为了验证此方法的可行性，进行了多晶锡(Sn，一种典型的软质金属)激光辅助改性和超精密加工实验。多晶锡的激光改性参数为：激光功率密度5.8*104W/mm2，扫描速度10mm/s，重复率10μm。超精密加工参数为：主轴转速1200r/min，背吃刀量2μm，进给量2μm。
获得以下效果：
(1)本发明使材料表层晶粒细化，并提升了表面硬度。
采用EBSD技术手段对材料进行晶粒分布表征，未改性表层材料的平均晶粒直径为100μm，如图3a，改性后表层材料的平均晶粒直径为15μm，如图3b，晶粒大小得到明显细化。采用纳米压痕技术手段对材料表层硬度进行测试，相同压入深度下，未改性材料的纳米压痕硬度为0.20GPa，如图4a，改性后材料的硬度为0.32GPa，如图4b，材料硬度得到明显提升。(2)本发明改性后的材料，经超精密加工得到的表面质量明显提升。
采用白光干涉技术对超精密加工后的表面粗糙度进行测量，相同切削参数下，未改性材料加工表面的粗糙度为11.71nm，如图5a，改性后材料加工表面粗糙度可达2.16nm，如图5b，表面粗糙度得到明显改善。
本发明适用的软质低熔点金属包括但不限于表1所列金属及其合金。
表1可采用激光辅助改性的软质低熔点金属
作为金属加工表面预处理的手段，通过提升软质金属表面加工性能，获得高面形精度、低表面粗糙度、低亚表面损伤的金属加工表面。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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