《刀具表面飛秒雷射微納跨尺度織構及其抗磨損機理研究》是依託西安交通大學，由王文君擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：刀具表面飛秒雷射微納跨尺度織構及其抗磨損機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王文君
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在航空航天、能源等領域使用的高溫鋁合金零部件等難加工材料的高速切削過程中刀具的早期磨損並不鮮見，已成為影響裝備製造業發展的重要問題。因此，探索適用於鋁合金等難加工材料高速切削的新型刀具，具有廣闊的套用前景。本課題在傳統刀具塗層材料研究範疇之外，提出採用飛秒雷射塗層表面微米到納米級跨尺度複合織構化改善刀具摩擦特性的新技術，通過塗層技術與織構技術的結合提高刀具的抗磨損性能。本項目將揭示飛秒雷射作用下材料的原子/分子遷移機制、晶格結構改變規律以及材料表面納米結構的形成機制，探索微/納跨尺度結構的飛秒雷射高效加工工藝；揭示刀具塗層材料各組分在超短脈衝雷射作用下的能量吸收機制和相變機理；研究兩步複合塗層刀具織構化工藝方法；探索微/納表面織構化及其尺度效應對不同潤滑狀態下刀具抗磨損性能的影響規律及其內在機理，最終實現對刀具表面最優織構化以提高其使用壽命的目的。
結題摘要
本項目圍繞研究計畫，在以下幾個方面開展了具體研究：1、探索出超快雷射作用下納米結構的形成機制，實現了納結構的可控加工。發現在極低能量雷射照射下材料表面首先生成Λ≈100nm的超短周期波紋；隨著雷射能量的增加，出現兩種納米波紋結構：低頻周期結構（LSFL, λ/2≤Λ≤λ）和高頻周期結構(HSFL, Λ≤λ/2)；當雷射能量繼續增加，出現微米孔洞結構並產生破壞性燒蝕。其後，通過對雷射參數的調節，實現了納米結構的尺度精確可控，在材料表面誘導出大面積納米結構陣列。2、實現了微米到納米結構的超快雷射高效高質量加工。在已有研究基礎上，進一步探討了超快雷射燒蝕微米結構的形狀調控方法，實現了微納複合結構的單步加工。同時深入探索了皮秒超快雷射高效加工工藝，發現短波長雷射的加工效率遠高於長波長，選用臨界雷射能量密度能夠獲得最大材料去除率並使能量利用率最高，脈衝數在2000-2500之間選取時燒蝕深度最大，雷射重複頻率為10-20kHz時加工效率最高。最終獲得了具有高效率和低耗時的最優工藝參數組合。3、深入探索了薄膜塗層材料的飛秒雷射加工機理及工藝。考慮到刀具上表面的塗層屬於薄膜材料，本項目專門研究了薄膜材料的超快雷射加工機理，實現了薄膜材料上微米結構和納米波紋結構的可控加工。同時，開展了薄膜材料的前向和後向燒蝕對比性實驗研究，發現了兩種燒蝕方式各自的加工特性。在此基礎上，提出了通過調控薄膜強度實現不同形狀及尺寸微結構加工的新方法。另外，利用犧牲層技術實現了薄膜材料上的長脈衝雷射高質量加工。4、在刀具表面加工出典型微結構陣列，並探索了織構化表面的潤濕性和摩擦學性能。對比了單線光柵、正交方柱、凹坑等幾種典型微織構的疏水性，發現凸起型單線光柵結構疏水性最佳，疏水角可達170°；探討了微結構尺寸、間距對疏水性的影響，發現微結構越窄越深，表面疏水性越好。同時，探討了微孔群織構刀具表面的摩擦特性，發現織構化表面的摩擦係數比未織構表面降低近一倍，證實織構化表面能夠顯著改善刀具的抗磨損性能。在以上研究支撐下，本項目已發表SCI源刊論文4篇， EI檢索期刊論文3篇；發表EI檢索國際會議論文8篇；參加國際學術會議並做特邀報告1人次，做分組報告4人次；博士後出站1人，已畢業碩士生1人，正在培養4名博士生和2名碩士生；申報國家發明專利1項，已公開。
