刀具表面飞秒激光微纳跨尺度织构及其抗磨损机理研究

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刀具的早期磨损并不鲜见，已成为影响装备制造业发展的重要问题。因此，探索适用于铝合金等难加工材料高速切削的新型刀具，具有广阔的应用前景。本课题在传统刀具涂层材料研究范畴之外，提出采用飞秒激光涂层表面微米到纳米级跨尺度复合织构化改善刀具摩擦特性的新技术，通过涂层技术与织构技术的结合提高刀具的抗磨损性能。本项目将揭示飞秒激光作用下材料的原子/分子迁移机制、晶格结构改变规律以及材料表面纳米结构的形成机制，探索微/纳跨尺度结构的飞秒激光高效加工工艺；揭示刀具涂层材料各组分在超短脉冲激光作用下的能量吸收机制和相变机理；研究两步复合涂层刀具织构化工艺方法；探索微/纳表面织构化及其尺度效应对不同润滑状态下刀具抗磨损性能的影响规律及其内在机理，最终实现对刀具表面最优织构化以提高其使用寿命的目的。

本项目围绕研究计划，在以下几个方面开展了具体研究：. 1、探索出超快激光作用下纳米结构的形成机制，实现了纳结构的可控加工。发现在极低能量激光照射下材料表面首先生成Λ≈100nm的超短周期波纹；随着激光能量的增加，出现两种纳米波纹结构：低频周期结构（LSFL, λ/2≤Λ≤λ）和高频周期结构(HSFL, Λ≤λ/2)；当激光能量继续增加，出现微米孔洞结构并产生破坏性烧蚀。其后，通过对激光参数的调节，实现了纳米结构的尺度精确可控，在材料表面诱导出大面积纳米结构阵列。. 2、实现了微米到纳米结构的超快激光高效高质量加工。在已有研究基础上，进一步探讨了超快激光烧蚀微米结构的形状调控方法，实现了微纳复合结构的单步加工。同时深入探索了皮秒超快激光高效加工工艺，发现短波长激光的加工效率远高于长波长，选用临界激光能量密度能够获得最大材料去除率并使能量利用率最高，脉冲数在2000-2500之间选取时烧蚀深度最大，激光重复频率为10-20kHz时加工效率最高。最终获得了具有高效率和低耗时的最优工艺参数组合。. 3、深入探索了薄膜涂层材料的飞秒激光加工机理及工艺。考虑到刀具上表面的涂层属于薄膜材料，本项目专门研究了薄膜材料的超快激光加工机理，实现了薄膜材料上微米结构和纳米波纹结构的可控加工。同时，开展了薄膜材料的前向和后向烧蚀对比性实验研究，发现了两种烧蚀方式各自的加工特性。在此基础上，提出了通过调控薄膜强度实现不同形状及尺寸微结构加工的新方法。另外，利用牺牲层技术实现了薄膜材料上的长脉冲激光高质量加工。. 4、在刀具表面加工出典型微结构阵列，并探索了织构化表面的润湿性和摩擦学性能。对比了单线光栅、正交方柱、凹坑等几种典型微织构的疏水性，发现凸起型单线光栅结构疏水性最佳，疏水角可达170°；探讨了微结构尺寸、间距对疏水性的影响，发现微结构越窄越深，表面疏水性越好。同时，探讨了微孔群织构刀具表面的摩擦特性，发现织构化表面的摩擦系数比未织构表面降低近一倍，证实织构化表面能够显著改善刀具的抗磨损性能。. 在以上研究支撑下，本项目已发表SCI源刊论文4篇， EI检索期刊论文3篇；发表EI检索国际会议论文8篇；参加国际学术会议并做特邀报告1人次，做分组报告4人次；博士后出站1人，已毕业硕士生1人，正在培养4名博士生和2名硕士生；申报国家发明专利1项，已公开。