纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法

技术领域

本发明涉及非晶合金表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法。本发明可显著提高锆基非晶合金的表面硬度，对于扩展其作为表面功能材料的应用具有重要意义。

背景技术

非晶合金具有长程无序、短程有序的原子排列结构，这使其避免了晶态金属固有的位错和晶界等缺陷，从而赋予其优越的性能，如高硬度、高耐磨性、较强的耐腐蚀性能等。然而，由于单个或少数几个剪切带的快速扩展，大多数非晶合金塑性变形能力较差，呈现出典型的脆性断裂特性。低的塑性变形能力限制了非晶合金作为结构材料的应用，而另一方面，非晶合金高硬度和耐磨性的特性为其作为表面功能材料的应用提供了新的机遇。虽然非晶合金本身硬度较高，但如能进一步提升其表面硬度和耐磨性，将极大地丰富和扩展其功能应用，为此需要开发非晶合金表面硬度提升方法。前期利用纳秒激光在氮气中对锆基非晶合金进行辐照，在非晶合金表面引入氮化锆相，可以提高其表面硬度（文献Journal ofAlloys and Compounds 770 (2019) 864-874）。然而该方法使用流通的氮气，在非晶合金表面引入的氮化锆相含量有限，对非晶合金表面硬度提升效果不明显，表面纳米压痕硬度由初始的6.399GPa仅提升到7.403GPa，所以需要开发可大幅提升非晶合金表面硬度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于碳元素与锆元素在高温条件下易反应生成碳化锆相的特性，利用纳秒激光辐照浸没于石墨粉水溶液中的锆基非晶合金，在其表面引入碳化锆相，实现了锆基非晶合金表面硬度的大幅度提升。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法，采用纳秒激光辐照浸没于石墨粉水溶液中的锆基非晶合金，利用碳元素与锆元素在高温条件下易反应生成碳化锆相的特性，在锆基非晶合金表面引入碳化锆相，实现其表面硬度的大幅提升，具体包括以下步骤：

步骤一、对锆基非晶合金基体表面进行研磨、抛光、冲洗和干燥，获得镜面表面；

步骤二、将石墨粉和水混合，配置石墨粉水溶液；

步骤三、将锆基非晶合金基体放置在圆形透明容器内，调节纳秒激光器发出的激光束的焦点至锆基非晶合金基体表面，滴入配置好的石墨粉水溶液，控制石墨粉水溶液的液面高于锆基非晶合金基体的表面1mm，调控纳秒激光器的工艺参数，实现不同搭接率的逐线扫描。

步骤一所述的获得镜面表面，具体是：依次使用400目、800目、1200目和2000目的碳化硅砂纸对锆基非晶合金基体表面进行研磨，去除表面氧化层，然后抛光至镜面状态，之后使用无水乙醇冲洗2min，在空气中干燥。

步骤二所述的石墨粉和水的重量比为1：7，混合后充分搅拌，再对溶液进行超声振动5min，使石墨粉均匀分散在水溶液中。

步骤三所述的纳秒激光器的工艺参数为：激光平均功率3.24W，激光波长1064nm，扫描速度5mm/s，扫描次数为1次，脉冲频率600kHz，脉冲宽度7ns，光斑直径42μm，搭接率30%-90%。

步骤三所述的搭接率的变化通过改变相邻扫描线之间的距离实现，相邻扫描线之间的距离为4-28.4μm。

本发明的有益效果在于：基于碳元素与锆元素在高温条件下易反应生成碳化锆相的特性，利用纳秒激光辐照浸没于石墨粉水溶液中的锆基非晶合金，在其表面引入碳化锆相，实现了锆基非晶合金表面硬度的大幅度提升，碳化表面硬度较初始表面硬度提高130%-200%。通过控制激光辐照工艺参数，可方便地获取不同硬化程度的锆基非晶合金表面，对于扩展其作为表面功能材料的应用具有重要意义。另外，本发明提供的方法操作简单、成本低、效率高、实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的纳秒激光系统的结构示意图；

图2为本发明的纳秒激光系统的扫描轨迹示意图；

图3为本发明的初始表面和碳化表面的硬度值对比；

图4为本发明的初始表面与碳化表面的纳米压痕载荷-深度曲线，压痕载荷固定为150mN；

图5为本发明的初始表面纳米压痕SEM形貌；

图6为本发明的碳化表面纳米压痕SEM形貌；

图7为本发明的初始表面与碳化表面载荷-深度曲线及对应的深度差-载荷曲线，压痕载荷固定为150mN，加载速率为1mN/s。

图中：1、计算机及控制系统；2、纳秒激光器；3、激光束；4、反射镜；5、聚焦镜；6、圆形透明容器；7、石墨粉水溶液；8、锆基非晶合金基体。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本发明的纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法，采用纳秒激光辐照浸没于石墨粉水溶液中的锆基非晶合金，利用碳元素与锆元素在高温条件下易反应生成碳化锆相的特性，在锆基非晶合金表面引入硬度较高的碳化锆相，实现其表面硬度的大幅提升，具体包括以下步骤：

步骤一、对锆基非晶合金基体8表面进行研磨、抛光、冲洗和干燥，获得镜面表面；

步骤二、将石墨粉和水混合，配置石墨粉水溶液7；

步骤三、将锆基非晶合金基体8放置在圆形透明容器6内，调节反射镜4和聚焦镜5，使纳秒激光器2发出的激光束3的焦点至锆基非晶合金基体8表面，滴入配置好的石墨粉水溶液7，控制石墨粉水溶液7的液面高于锆基非晶合金基体8的表面1mm，通过计算机及控制系统1调控纳秒激光器2的工艺参数，实现不同搭接率的逐线扫描。

步骤一所述的获得镜面表面，具体是：依次使用400目、800目、1200目和2000目的碳化硅砂纸对锆基非晶合金基体8表面进行研磨，去除表面氧化层，然后抛光至镜面状态，之后使用无水乙醇冲洗2min，在空气中干燥。

步骤二所述的石墨粉和水的重量比为1：7，混合后充分搅拌，再对溶液进行超声振动5min，使石墨粉均匀分散在水溶液中。

步骤三所述的纳秒激光器2的工艺参数为：激光平均功率3.24W，激光波长1064nm，扫描速度5mm/s，扫描次数为1次，脉冲频率600kHz，脉冲宽度7ns，光斑直径42μm，搭接率30%-90%。

步骤三所述的搭接率的变化通过改变相邻扫描线之间的距离实现，相邻扫描线之间的距离为4-28.4μm。

实施例：

以Zr

参见图3所示，搭接率为30%的碳化表面是采用本发明提出的方法，在激光平均功率为3.24W，扫描速度5mm/s，扫描次数为1次，脉冲频率600kHz，相邻扫描线之间距离为28.4μm的条件下获取的，对碳化表面抛光后测量10次纳米压痕硬度求得平均值为19.2GPa，相比于初始表面的6.4GPa，硬度值提高了12.8GPa，硬度提升200%，表明石墨粉水溶液中激光碳化起到了表面硬化的作用，能够大幅提升锆基非晶合金表面硬度。

参见图3所示，搭接率为90%的碳化表面是采用本发明提出的方法，在激光平均功率为3.24W，扫描速度5mm/s，扫描次数为1次，脉冲频率600kHz，相邻扫描线之间的距离为4μm条件下获取的，对碳化表面抛光后测量10次纳米压痕硬度求得平均值为15.1GPa，相比于初始表面的6.4GPa，硬度值提高了8.7GPa，表明无论在低搭接率还是高搭接率的条件下，石墨粉水溶液中激光碳化均起到了表面硬化的作用，能够提升锆基非晶合金表面的力学性能。

图4所示为初始表面与碳化表面纳米压痕载荷-深度曲线，由曲线可以看出，在相同的载荷150mN下，初始表面的最大压入深度明显大于碳化表面的最大压入深度，表明碳化表面较初始表面硬度大幅提高，这也证实了石墨粉水溶液中激光碳化起到了表面硬化的作用。

图5及图6给出了碳化前后表面的纳米压痕残余形貌，可以看出碳化表面的压痕尺寸比初始表面压痕尺寸明显减小，这进一步说明了石墨粉水溶液中激光碳化起到的表面硬化作用。

参见图7所示，是压痕载荷固定为150mN，加载速率为1mN/s条件下得到的载荷-深度曲线和深度差-载荷曲线，结合图5及图6可以发现在初始表面上产生许多表面剪切带和锯齿流变，而碳化表面没有剪切带和锯齿流变的出现，这说明碳化锆相的引入阻止表面剪切带的产生，调控了锆基非晶合金表面的塑性变形特性。

从实例结果可以看出，基于本发明提出的纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法，采用纳秒激光辐照浸没于石墨粉水溶液中的锆基非晶合金，利用碳元素与锆元素在高温条件下易反应生成碳化锆相的特性，在锆基非晶合金表面引入硬度较高的碳化锆相，可实现其表面硬度的大幅提升。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。