專利名稱：一種激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備金屬納米多孔材料的方法，特指一種先利用激光噴丸細化金屬表層晶粒，然后將金屬材料加熱重結晶溫度進行保溫處理使之變形再結晶，最后采用激光輻射在水中的金屬基體，利用激光誘導的氫化腐蝕效應實現金屬材料納米多孔的制備，該方法尤其適用于本身具有原子氫侵蝕效應的金屬材料的表面納米孔洞制備。
背景技術：
納米多孔材料是20世紀迅速興起的新型納米結構材料，因其特殊結構而具備比強度高、相對密度低、滲透性和吸附性好、孔隙率和表面積大等特點，在生物化學、大分子催化、分子識別等眾多領域均有廣泛的應用前景，目前，多孔材料已被應用于航空航天、電化學、石油化工、醫藥等領域，涉及流體分布、吸能減震、電磁屏蔽等諸多方面。金屬納米多孔材料不但具有高孔隙度、比重小、內表面積大、納米孔均勻等優點，而且具有金屬材料的抗疲勞、抗腐蝕、高導電率等優異性能，因而使其在催化和分離科學上具有重要應用；另外金屬納米多孔材料所表現出的表面效應和尺寸效應，使其在電子、光學、微流體及微觀力學方面有著巨大的應用前景；隨著科技的進步，金屬納米多孔材料面臨著大型化、異型化、多樣化等方面的發展趨勢，如何制備出孔徑大且范圍可調、種類更多的金屬納米孔材料仍然是一大難題，目前，在金屬表面制造納米孔洞仍然很困難，特別是對于堅硬、耐熔的金屬如鈦和鋼，因為它們的熔點和沸點都很高；利用現有工藝制造金屬納米孔仍存在可重復性低、成本高、穩定性低等缺點。研究表明金屬材料的亞晶界和晶界越多，其氫化腐蝕效應越明顯；激光噴丸技術具有高壓(吉帕-太帕)、超快(幾十納秒)、高應變率(107-108/s，比爆炸形成高出100倍)的顯著特點，與常規加工方法相比，具有無可比擬的優點，通過激光噴丸可以使金屬材料表層晶粒顯著細化而產生大量亞晶結構，即亞晶粒和亞晶界；尤其對于較硬、熔點較高的金屬如鈦也可以通過激光噴丸來有效實現其表層的晶粒細化，從而提高其氫化腐蝕效應，實現其納米多孔材料的制備。

發明內容
本發明的目的在于提出一種激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料的方法，該方法首先通過激光噴丸細化金屬材料表層晶粒，大量增加亞晶粒及亞晶界，然后將金屬材料加熱到金屬材料的重結晶溫度進行保溫處理使之變形再結晶，最后采用激光輻射浸在水槽中的金屬，金屬表面吸收激光能量會產生幾千度的高溫(鐵2870 °C，鈦3287 °C )使表面金屬層汽化，產生的高溫金屬汽與附近的水相互作用使水分裂生成H2和02(水分解溫度為2000 °C左右)，H2與特定金屬如鐵、鈦、鎳的表面接觸 會分裂成H原子，H原子與金屬原子結合后生成氫化物相，之后氫化物發生氫侵蝕效應在金屬表層生成大量納米孔洞，實現金屬材料納米多孔的制備，利用該方法有效制造納米多孔金屬材料，特別是熔沸點較高的金屬材料的納米孔制造。
為實現上述目的，本發明采取如下技術方案
一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，包括以下步驟
(1)對金屬表面打磨、拋光和清洗，以鋁箔作為激光噴丸能量吸收層，水膜作為約束層，采用高能短脈沖激光沖擊覆蓋有鋁箔的金屬材料，增加亞晶粒及亞晶界；
(2)將高能短脈沖激光沖擊后的金屬材料在真空中加熱到金屬材料的重結晶溫度進行保溫處理，金屬表層在激光噴丸作用下形成的晶粒細化層中的亞晶界以及原晶界將重結晶生成更多的晶界，金屬材料冷卻后取出；
(3)對再結晶金屬進行表面拋光，然后把金屬浸沒并固定于水槽中，以水膜作為激光沖擊的約束層；米用激光從垂直方向勻速掃描福射金屬表面，通過激光福射產生的高溫使 表面金屬汽化從而使水分子分解產生氫原子，在氫化腐蝕作用下金屬表面層會制造出納米孔，取出金屬并將其干燥。本發明一種激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料的方法首先在于工藝方法的創新，即先采用激光噴完處理金屬材料表面，然后金屬材料加熱到金屬材料的重結晶溫度進行保溫處理使之變形再結晶，最后采用脈沖激光輻射浸在水槽中的金屬，實現金屬納米多孔材料的制備。本發明的原理創新在于采用激光噴完誘導超高壓沖擊波細化金屬材料表層晶粒，金屬材料加熱到金屬材料的重結晶溫度進行變形再結晶增加晶粒數量和晶界，再用激光直接輻射金屬表層，產生氫化腐蝕制備金屬納米多孔材料，是一種全新的納米多孔材料制造方法。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的金屬為本身具有氫化腐蝕效應的金屬。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的具有氫化腐蝕效應的金屬為Ti，Ni，NiTi，Cu2O或AISI 4140不銹鋼。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述用于激光噴丸的高能短脈沖激光的工藝參數為脈寬8-30 ns，重復頻率為1-100 Hz，脈沖能量為1-20 J，光斑大小為1-5 mm，搭接率為50%。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述激光噴丸處理中所用鋁箔為美國3M公司生產的專用鋁箔，其厚度為0. I mm;所述的水膜約束層的厚度為1-2 mm。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的保溫處理中加熱到金屬材料的重結晶溫度的保溫處理保溫時間長短也因金屬種類不同而異，重結晶過程相對較快的金屬需要的保溫時間短(比如AISI 4140為30-60 S)，重結晶過程緩慢的金屬需要的保溫時間較長(比如工業純鈦為2-3 h)。所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述用于直接掃描輻射金屬表面的高能短脈沖激光，具體的激光工藝參數為脈沖能量12 J，脈寬15 ns,光斑直徑3 mm ;所述的水膜約束層的厚度為I. 5 mm。本發明具有以下優勢
(I)采用激光噴丸使金屬材料表層晶粒細化，從而使得激光輻射導致的氫化腐蝕制備納米多孔材料成為可能。
(2)可根據需要，通過計算機控制來調節激光脈沖能量和沖擊次數來控制晶粒細化程度，通過控制掃描激光束能量大小以及掃描次數來控制納米孔的數量和平均尺寸。(3)由于激光束的非接觸性和柔性，可以根據加工需要，通過計算機控制來調節工作臺空間位置實現不規則的金屬表面的納米孔制造。


圖I是激光噴丸細化金屬表層晶粒示意 圖2是激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料示意 圖3是激光噴丸輔助制造納米孔材料裝置；
(I)計算機控制裝置；⑵納秒激光發生器；⑶激光束；(4) 45度全反鏡；(5)光斑調節光學鏡片；(6)掩膜裝置；(7)基片；(8)水槽；(9)水膜；(10)鋁箔；(11)金屬基體；
(12)工件夾具；(13)五軸工作臺；(14)監測裝置；
圖4(a)為激光噴丸后氫化腐蝕的AISI 4140多孔材料，圖4( (b)為激光噴丸和再結晶后氫化腐蝕的AISI 4140多孔材料；保溫溫度850-900 °C，保溫時間為45 s ；
圖5 (a)為激光噴丸后氫化腐蝕的工業純鈦多孔材料，圖5 (b)為激光噴丸和再結晶后氫化腐蝕的工業純鈦多孔材料；保溫溫度600 °C，保溫時間為2h。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。首先用砂紙將金屬基體11表面打磨拋光，然后用酒精清洗金屬基體11表面；將0. I mm厚的美國3M公司專用鋁箔10粘附到金屬基體11表面并通過工件夾具12把金屬基體11夾緊；按照金屬基體11表面加工區域要求，通過計算機控制裝置I編程生成加工軌跡并確定激光工藝參數；發射高能短脈沖激光束3沖擊覆蓋有鋁箔10的金屬基體11，此時高能短脈沖激光束3工藝參數為脈寬8-30 ns，重復頻率為1-100 Hz，脈沖能量為1_20 J，光斑大小為1-5 _，搭接率為50% ;計算機控制裝置I根據監測裝置14反饋回來的數據并行控制納秒激光發生器2和五軸工作臺13，確保鋁箔10上方水膜9厚度為1-2 mm并保持厚度均勻，并使得金屬基體11表面加工點和激光束3垂直，實現金屬基體11表面的激光噴丸處理，處理完畢后取下金屬基體11，去除金屬基體11表面鋁箔并將金屬基體11置于丙酮中浸泡，然后用超聲波清洗除盡金屬基體11表面的殘留粘貼劑。將激光沖擊后的金屬基體11置于真空保溫箱中進行保溫處理，保溫一段時間后待金屬基體11冷卻后取出，然后用0. 05 U m級氧化鋁粉末將金屬基體11已激光噴丸表面拋光，再用工件夾具12夾緊金屬基體11 ;根據金屬基體11表面加工區域要求，通過計算機控制裝置I編程生成加工軌跡并確定激光工藝參數；發射高能脈沖激光束3對金屬基體11表面進行掃描輻射，此時高能短脈沖激光束3工藝參數為脈沖能量12 J，脈寬15 ns，光斑直徑3 mm ;計算機控制裝置I根據監測裝置14反饋回來的數據并行控制納秒激光發生器2和五軸工作臺13，確保金屬基體11表面上方水膜9厚度為I. 5 mm并保持厚度均勻，并使 得金屬基體11表面加工點和激光束3垂直，實現金屬基體11表面的納米孔制造，把金屬基體11取下并干燥。用本發明進行激光噴丸輔助制造納米多孔材料裝置包括依次相連的計算機控制裝置I、納秒激光發生器2、激光束3、45度全反鏡4、光斑調節光學鏡片5、掩膜裝置6、基片7、水槽8、水膜9、鋁箔10、金屬基體11、工件夾具12、五軸工作臺13和監測裝置14。納秒激光發生器2發出能量在1-20 J、持續時間為時間為8-30 ns、重復頻率為1-100 Hz的脈沖激光，激光束3的光斑模式可以是基膜、多模等多種模式，其由計算機控制裝置I調節和控制。由納秒激光發生器2產生的激光束3通過45度全反鏡5改變激光束3的方向，通過光斑調節光學鏡片5精確控制光斑空間能量分布，經過掩膜裝置6控制輸出激光的光斑形狀，透明的基片7用來拖住光斑調節光學鏡片5和掩膜裝置6 ;激光束3繼續穿透水膜9照射到金屬基體11表面。金屬基體11表面在激光束3照射下完成激光噴丸處理或納米孔的制造；監測裝置14用來監測水膜9厚度以及監測激光束3和金屬基體11的夾角，監測數據返回計算機控制裝置1，作為用來控制五軸工作臺13和調節納秒激光發生器2的工藝參數的依據；計算機控制裝置I控制五軸工作臺13控制金屬基體11移動，按區域分片加工直到整個金屬基體11目標表面加工完成。實施實例
以下為激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料的實例，采用Thales激光器在AISI4140鋼和工業純鈦表面先進行激光噴丸處理；對于AISI4140鋼，用于激光噴丸的高能短脈沖激光的工藝參數為脈寬8 ns，重復頻率為10Hz，脈沖能量為18J，光斑大小為5mm，搭接率為50% ;對于工業純鈦；用于激光噴丸的高能短脈沖激光的工藝參數為脈寬30 ns，重復頻率為900 Hz，脈沖能量為4 J，光斑大小為2 mm，搭接率為50%;然后在850-900 1的溫度進行保溫處理AISI 4140鋼45 S，對工業純鈦在600 °C的溫度進行保溫處理I h，再將AISI4140鋼和工業純鈦放置水中采用上述激光輻射激光噴丸處理的金屬表面，高能激光(脈沖能量為12 J,脈寬為15 ns,光斑直徑為3 mm)福射金屬表面產生氫化腐蝕,制備了金屬納米多孔材料。圖4(a)為激光、噴丸后氫化腐蝕的AISI 4140多孔材料，(b)為激光噴丸和再結晶后氫化腐蝕的AISI 4140多孔材料(850-900 1保溫溫度，保溫時間為45 s);從圖4中我們可以看出，僅激光噴丸處理的試樣表面氫化腐蝕孔洞直徑在50-150 nm之間，并且單位面積內的納米孔洞數量較少，而激光噴丸和保溫再結晶處理后的試樣表面氫化腐蝕孔洞直徑為幾十納米，并且與僅激光噴丸處理試樣相比，數量增加很多，孔洞直徑變??；圖5(幻為激光噴丸后氫化腐蝕的工業純鈦多孔材料，(b)為激光噴丸和再結晶后氫化腐蝕的工業純鈦多孔材料(600 V保溫溫度，保溫時間為2 h);從圖5中我們可以看出，僅激光噴丸處理的試樣表面氫化腐蝕孔洞直徑在100-300 nm之間，并且單位面積內的納米孔洞數量較少，而激光噴丸和保溫再結晶處理后的試樣表面氫化腐蝕孔洞直徑為幾十納米，并且與僅激光噴丸處理試樣相比,數量增加很多,孔洞直徑變小。
權利要求
1.一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，包括以下步驟 (1)對金屬表面打磨、拋光和清洗，以鋁箔作為激光噴丸能量吸收層，水膜作為約束層，采用高能短脈沖激光沖擊覆蓋有鋁箔的金屬材料，增加亞晶粒及亞晶界； (2)將高能短脈沖激光沖擊后的金屬材料在真空中加熱到金屬材料的重結晶溫度進行保溫處理，金屬表層在激光噴丸作用下形成的晶粒細化層中的亞晶界以及原晶界將重結晶生成更多的晶界，金屬材料冷卻后取出； (3)對再結晶金屬進行表面拋光，然后把金屬浸沒并固定于水槽中，以水膜作為激光沖擊的約束層；米用激光從垂直方向勻速掃描福射金屬表面，通過激光福射產生的高溫使表面金屬汽化從而使水分子分解產生氫原子，在氫化腐蝕作用下金屬表面層會制造出納米孔，取出金屬并將其干燥。
2.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的金屬為本身具有氫化腐蝕效應的金屬。
3.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的具有氫化腐蝕效應的金屬為Ti，Ni，NiTi，Cu2O或AISI 4140不銹鋼。
4.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述用于激光噴丸的高能短脈沖激光的工藝參數為脈寬8-30 ns，重復頻率為1-100 Hz，脈沖能量為1-20 J，光斑大小為1-5 mm，搭接率為50%。
5.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述激光噴丸處理中所用鋁箔為美國3M公司生產的專用鋁箔，其厚度為O. I mm ;所述的水膜約束層的厚度為1-2 mm。
6.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述的保溫處理中加熱到金屬材料的重結晶溫度的保溫時間等于金屬材料的重結晶時間。
7.如權利要求I所述的一種激光噴丸輔助制造納米多孔材料的方法，其特征在于所述用于直接掃描輻射金屬表面的高能短脈沖激光，具體的激光工藝參數為脈沖能量12 J，脈寬15 ns,光斑直徑3 mm ;所述的水膜約束層的厚度為I. 5 mm。
全文摘要
本發明涉及一種制備金屬納米多孔材料的方法，特指一種激光噴丸輔助制備金屬納米多孔材料的方法；本發明先利用激光噴丸細化金屬表層晶粒，然后將金屬材料加熱重結晶溫度進行保溫處理使之變形再結晶，最后采用激光輻射在水中的金屬基體，利用激光誘導的氫化腐蝕效應實現金屬材料納米多孔的制備，該方法尤其適用于本身具有原子氫侵蝕效應的金屬材料的表面納米孔洞制備。
文檔編號C21D1/09GK102628095SQ20121010921
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者程曉農, 羅密, 羅開玉, 鐘金杉, 魯金忠, 齊晗 申請人:江蘇大學