一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法及成形装置
阅读说明：本技术 一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法及成形装置 (Method and forming device for ultra-fast laser nitriding zirconium oxide under heat accumulation effect ) 是由 任乃飞 宋佳佳 李保家 辛志铎 岳秀立 杨华宇 许倩 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法及成形装置,涉及到表面改性技术领域,待加工工件清洗、干燥、干燥后工件装夹,在腔室内通入氮气形成稳定气体流场、超快激光热累积,待加工工件表面氮化反应得到氮化氧化锆；具体的,工件预处理：待加工工件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗10～20min,去除氧化锆工件表面的油污、杂质,随后置于氮气流中吹干干燥；氮气保护：将待加工工件置于腔体中,从进气口通入氮气,从出气口流出氮气,氮气通入量为2～4L/min,腔体内的气体压强为0.015MPa～0.03MPa；激光参数设定。本发明方法制备的氮化层厚度大,表面粗糙度小。(The invention discloses a method and a forming device for ultra-fast laser nitriding zirconia under a heat accumulation effect, and relates to the technical field of surface modification.A workpiece to be processed is cleaned, dried and then is clamped, nitrogen is introduced into a cavity to form a stable gas flow field, ultra-fast laser heat accumulation is carried out, and the surface of the workpiece to be processed is subjected to nitriding reaction to obtain the nitriding zirconia; specifically, workpiece pretreatment: respectively placing the workpiece to be processed in deionized water, acetone and absolute ethyl alcohol, ultrasonically cleaning for 10-20 min, removing oil stains and impurities on the surface of the zirconia workpiece, and then placing the workpiece in nitrogen flow for drying; and (3) nitrogen protection: placing a workpiece to be processed in a cavity, introducing nitrogen from an air inlet, and flowing out of an air outlet, wherein the introduction amount of the nitrogen is 2-4L/min, and the pressure of gas in the cavity is 0.015-0.03 MPa; and (5) setting laser parameters. The nitride layer prepared by the method has large thickness and small surface roughness.)
技术领域
本发明属于表面改性
技术领域
，尤其涉及到一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法及成形装置。背景技术
氧化锆陶瓷是一种十分重要的结构陶瓷材料，它具有非常优异的力学性能，有着高弯曲强度及良好的断裂韧性，有陶瓷钢的美誉，因此在工业机械和日常生活中都有着越来越广泛的应用。
氧化锆表面氮化处理是提高其耐蚀性、耐磨性和硬度等表面性能的一种很有吸引力的技术。氧化锆具有硬度高，熔点高，化学稳定性好的特点，对工具工业特别是涂层应用非常有利。除了用于装饰标记外，它还可用于超导器件，如Josephson结，也可用于作为扩散式迭层等。
磁控溅射法、电弧离子镀法、化学气相沉积法、离子束沉积法被用于对氧化锆表面进行改性，以便在其或任何其他衬底材料上形成氮化物涂层。常规的物理和化学气相层积技术层积速率低，极大的制约了涂层的生产，对于工件的特殊部位，氮化层层积制备方法难以满足工业生产的要求。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法及成形装置，能够在工件的特殊部位高效快速进行表面氮化处理，氮气的有效掺入形成厚层氮化层，表面粗糙度低，且制备工艺简单、易操作。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法，包括以下步骤：待加工工件清洗、干燥、干燥后工件装夹，在腔室内通入氮气形成稳定气体流场、超快激光热累积，待加工工件表面氮化反应得到氮化氧化锆；具体的，工件预处理：待加工工件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗10～20min，去除氧化锆工件表面的油污、杂质，随后置于氮气流中吹干干燥；氮气保护：将待加工工件置于腔体中，从进气口通入氮气，从出气口流出氮气，氮气通入量为2～4L/min，腔体内的气体压强为0.015MPa～0.03MPa；激光参数设定。
进一步的，激光参数包括：激光束的脉冲宽度275fs，波长为1030nm，重复频率1～19MHz，激光能量密度0.326～1.895μJ/cm2，扫描速度10～100mm/s，激光束扫描间距为10～60μm，扫描区域为10mm×10mm。
进一步的，激光能量密度为0.632μJ/cm2，扫描速度为20mm/s，激光扫描间距为35μm。
进一步的，激光器为飞秒激光器。
进一步的，氮气通入量为3L/min，腔体的气体压强为0.0225MPa。
一种热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的成形装置，包括工作台、腔体和透明盖板；所述腔体放置在工作台上，腔体上开设有进气口和出气口；腔体上方通过透明盖板密封；激光束经反射镜反射后经聚焦透镜聚焦后，透过透明盖板辐照在基材上，在基材上形成熔池，熔池表层的液态基材与氮气反应形成的氮化层。
进一步的，所述氮化层厚度5～120μm，表面粗糙度为0.5～5μm。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)本发明激光氮化工艺简单、易操作，能在工件的特殊部位高效快速制备氮化层，以满足实际生产需求。
2)本发明方法制备的氮化层厚度大，表面粗糙度小。
3)通过选用飞秒激光器及激光器参数的选定可实现快速制备出氮化层，且氮化层涂层厚度范围宽，从而适用范围广。
4)本发明选用飞秒激光器氮化，通过调控激光参数进而实现精准的温度控制，可以实现不同程度的氮化。
附图说明
图1为本发明涉及到的热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的成形装置结构示意图；
图2为本发明涉及到的热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的成形方法的流程图；
图3为本发明实施例涉及到的试样的氮化层XRD图谱；
图4为本发明实施例涉及到的试样的氮化层Raman图谱；
图5为本发明实施例涉及到的试样的共聚焦表面形貌图；
图6为图5被剪断后共聚焦截面形貌图。
附图标记：
1-激光束，2-反射镜3-聚焦镜4-进气口，5-出气口，6-基材，7-氮化层，8-熔池，9-工作台，10-腔体11-透明盖板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
结合附图2，热累积效应下的超快激光氮化氧化锆的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：工件预处理
对基材6进行超声清洗，去除基材6表面的油污、杂质，进行干燥；
步骤2：氮气保护
将基材6连同腔体10装夹在激光器的工作台9上，通氮气，腔体10中形成稳定氮气流场；
步骤3：激光热累积、氮化反应
对工件6表面进行高重复频率飞秒激光加工，热累积形成熔池8，使氮气与基材反应生成氮化层7。
步骤1中，基材6指的是氧化锆
步骤1中工件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗10～20min(25℃、40W)，随后置于氮气流中吹干。
步骤2中，通入纯度为99.99％的N2，氮气通入量为2～4L/min，腔体内的气体压强为0.015MPa～0.03MPa；优选的，氮气通入量为3L/min，腔体的气体压强为0.0225MPa；N2从进气口4进入从出气口5流出，在腔体内10中形成一个稳定的气体流场，通入氮气是为了防止其它气体与基材6发生反应。
步骤3中，氮气在飞秒激光束1的热累计作用下，与熔池8中的高温液体发生强烈的化学、冶金交互作用，从而显著改善熔池液体的化学成分及组成，最终快速凝固形成表面改性氮化层。
步骤3中，熔池8表层的液态基材与氮气反应形成的氮化层，阻碍了氮气渗入与深层的液态基材继续发生反应；氮气流量增大，导致熔池处氮气的压力相应增大，促使氮气渗入与深层液态工件6发生反应，使得氮化层厚度增加
步骤3中所述激光束的脉冲宽度275fs，波长为1030nm，重复频率1～19MHz，激光能量密度0.326～1.895μJ/cm2，扫描速度10～100mm/s，扫描区域为10mm×10mm。优选的，激光功率密度为0.632μJ/cm2，扫描速度为20mm/s，激光扫描间距为35μm，调节激光功率密度、扫描速度和激光束扫描间距，氮化层7厚度能在5～120μm调控；激光功率密度过大、扫描速度过低、激光束1扫描间距过小，制得的涂层厚度大、表面粗糙，容易出现剥落；过大，制得的涂层厚度小，性能不能满足使用需求。
使用基于热累积效应下的超快激光氮化氧化锆，激光束通过扫描振镜系统可以在氮气环境下对基材6的任意部位进行激光氮化反应快速制备氮化层7，激光共聚焦显微镜表明激光氮化反应在基材6表面制备的氮化层7表面粗糙度在0.2～5μm。
实施例
选用长10mm、宽10mm、高1mm的氧化锆块状为基材，利用扫描振镜系统控制激光头的扫描速度和激光束扫描间距，氮气的纯度均为99.99％，具体氮化方法如下：
氧化锆基材在去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗15min(25℃、40W)，随后置于氮气流中吹干；
将工件连同腔体装夹在激光器的工作台上，通氮气，腔体中形成稳定气体流场，激光微熔工件时的工艺参数为：激光频率：19MHz，激光功率密度：0.632μJ/cm2，扫描速度：20mm/s，激光扫描间距：35μm，氮气通入量：3L/min，腔体内的氮气压强为：0.0225MPa。
下面结合说明书附图说明实施例制备的氮化层的形貌以及成分；
图3是实施例试样的氮化层XRD图谱，通过与X射线衍射PDF标准卡片(ZrN:31-1493)对比，在图3中，出现了(111)、(200)、(220)晶面的ZrN衍射峰，表明工件与氮气在高重复频率飞秒激光热累积作用下，熔池处发生氮化反应
图4是实施例试样的氮化层的Raman图谱，在图4中，出现了ZrN的峰，相对于横向(TA)和纵向(LA)声学跃迁模式的两个峰，分别位于168cm-1和222cm-1。此外，另外两个更高频率的峰(约506cm-1和661cm-1)可以归因于横向(TO)和纵向(LO)光学模式。以及由(2A，2O)的二级拉曼散射引起的峰，进一步证明了氮化反应的发生。
图5为实施例试样的共聚焦表面形貌图，其中1000μm代表标尺，由图5可知涂层的表面粗糙度小，表面比较平整。
图6为试样被剪断后的共聚焦截面形貌图，其中100μm代表标尺，由图6可知氮化层厚度大概在100μm。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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