一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备金属纳米多孔材料的方法，特指一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法；本发明专利技术先利用激光喷丸细化金属表层晶粒，然后将金属材料加热重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射在水中的金属基体，利用激光诱导的氢化腐蚀效应实现金属材料纳米多孔的制备，该方法尤其适用于本身具有原子氢侵蚀效应的金属材料的表面纳米孔洞制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备金属纳米多孔材料的方法，特指一种先利用激光喷丸细化金属表层晶粒，然后将金属材料加热重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射在水中的金属基体，利用激光诱导的氢化腐蚀效应实现金属材料纳米多孔的制备，该方法尤其适用于本身具有原子氢侵蚀效应的金属材料的表面纳米孔洞制备。
技术介绍
纳米多孔材料是20世纪迅速兴起的新型纳米结构材料，因其特殊结构而具备比强度高、相对密度低、渗透性和吸附性好、孔隙率和表面积大等特点，在生物化学、大分子催化、分子识别等众多领域均有广泛的应用前景，目前，多孔材料已被应用于航空航天、电化学、石油化工、医药等领域，涉及流体分布、吸能减震、电磁屏蔽等诸多方面。金属纳米多孔材料不但具有高孔隙度、比重小、内表面积大、纳米孔均匀等优点，而且具有金属材料的抗疲劳、抗腐蚀、高导电率等优异性能，因而使其在催化和分离科学上具有重要应用；另外金属纳米多孔材料所表现出的表面效应和尺寸效应，使其在电子、光学、微流体及微观力学方面有着巨大的应用前景；随着科技的进步，金属纳米多孔材料面临着大型化、异型化、多样化等方面的发展趋势，如何制备出孔径大且范围可调、种类更多的金属纳米孔材料仍然是一大难题，目前，在金属表面制造纳米孔洞仍然很困难，特别是对于坚硬、耐熔的金属如钛和钢，因为它们的熔点和沸点都很高；利用现有工艺制造金属纳米孔仍存在可重复性低、成本高、稳定性低等缺点。研究表明金属材料的亚晶界和晶界越多，其氢化腐蚀效应越明显；激光喷丸技术具有高压(吉帕-太帕)、超快(几十纳秒)、高应变率(107-108/s，比爆炸形成高出100倍)的显著特点，与常规加工方法相比，具有无可比拟的优点，通过激光喷丸可以使金属材料表层晶粒显著细化而产生大量亚晶结构，即亚晶粒和亚晶界；尤其对于较硬、熔点较高的金属如钛也可以通过激光喷丸来有效实现其表层的晶粒细化，从而提高其氢化腐蚀效应，实现其纳米多孔材料的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出，该方法首先通过激光喷丸细化金属材料表层晶粒，大量增加亚晶粒及亚晶界，然后将金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射浸在水槽中的金属，金属表面吸收激光能量会产生几千度的高温(铁2870 °C，钛3287 °C )使表面金属层汽化，产生的高温金属汽与附近的水相互作用使水分裂生成H2和02(水分解温度为2000 °C左右)，H2与特定金属如铁、钛、镍的表面接触 会分裂成H原子，H原子与金属原子结合后生成氢化物相，之后氢化物发生氢侵蚀效应在金属表层生成大量纳米孔洞，实现金属材料纳米多孔的制备，利用该方法有效制造纳米多孔金属材料，特别是熔沸点较高的金属材料的纳米孔制造。为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案 一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，包括以下步骤 (1)对金属表面打磨、抛光和清洗，以铝箔作为激光喷丸能量吸收层，水膜作为约束层，采用高能短脉冲激光冲击覆盖有铝箔的金属材料，增加亚晶粒及亚晶界； (2)将高能短脉冲激光冲击后的金属材料在真空中加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理，金属表层在激光喷丸作用下形成的晶粒细化层中的亚晶界以及原晶界将重结晶生成更多的晶界，金属材料冷却后取出； (3)对再结晶金属进行表面抛光，然后把金属浸没并固定于水槽中，以水膜作为激光冲击的约束层；米用激光从垂直方向勻速扫描福射金属表面，通过激光福射产生的高温使 表面金属汽化从而使水分子分解产生氢原子，在氢化腐蚀作用下金属表面层会制造出纳米孔，取出金属并将其干燥。本专利技术首先在于工艺方法的创新，即先采用激光喷完处理金属材料表面，然后金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用脉冲激光辐射浸在水槽中的金属，实现金属纳米多孔材料的制备。本专利技术的原理创新在于采用激光喷完诱导超高压冲击波细化金属材料表层晶粒，金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行变形再结晶增加晶粒数量和晶界，再用激光直接辐射金属表层，产生氢化腐蚀制备金属纳米多孔材料，是一种全新的纳米多孔材料制造方法。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述的金属为本身具有氢化腐蚀效应的金属。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述的具有氢化腐蚀效应的金属为Ti，Ni，NiTi，Cu2O或AISI 4140不锈钢。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述用于激光喷丸的高能短脉冲激光的工艺参数为脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为1-5 mm，搭接率为50%。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述激光喷丸处理中所用铝箔为美国3M公司生产的专用铝箔，其厚度为0. I mm;所述的水膜约束层的厚度为1-2 mm。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述的保温处理中加热到金属材料的重结晶温度的保温处理保温时间长短也因金属种类不同而异，重结晶过程相对较快的金属需要的保温时间短(比如AISI 4140为30-60 S)，重结晶过程缓慢的金属需要的保温时间较长(比如工业纯钛为2-3 h)。所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于所述用于直接扫描辐射金属表面的高能短脉冲激光，具体的激光工艺参数为脉冲能量12 J，脉宽15 ns,光斑直径3 mm ;所述的水膜约束层的厚度为I. 5 mm。本专利技术具有以下优势 (I)采用激光喷丸使金属材料表层晶粒细化，从而使得激光辐射导致的氢化腐蚀制备纳米多孔材料成为可能。(2)可根据需要，通过计算机控制来调节激光脉冲能量和冲击次数来控制晶粒细化程度，通过控制扫描激光束能量大小以及扫描次数来控制纳米孔的数量和平均尺寸。(3)由于激光束的非接触性和柔性，可以根据加工需要，通过计算机控制来调节工作台空间位置实现不规则的金属表面的纳米孔制造。附图说明图I是激光喷丸细化金属表层晶粒示意 图2是激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料示意 图3是激光喷丸辅助制造纳米孔材料装置； (I)计算机控制装置；⑵纳秒激光发生器；⑶激光束；(4) 45度全反镜；(5)光斑调节光学镜片；(6)掩膜装置；(7)基片；(8)水槽；(9)水膜；(10)铝箔；(11)金属基体；(12)工件夹具；(13)五轴工作台；(14)监测装置； 图4(a)为激光喷丸后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料，图4( (b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料；保温温度850-900 °C，保温时间为45 s ； 图5 (a)为激光喷丸后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料，图5 (b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料；保温温度600 °C，保温时间为2h。具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术提出的具体装置的细节和工作情况。首先用砂纸将金属基体11表面打磨抛光，然后用酒精清洗金属基体11表面；将0. I mm厚的美国3M公司专用铝箔10粘附到金属基体11表面并通过工件夹具12把金属基体11夹紧；按照金属基体11表面加工区域要求，通过计算机控制装置I编程生成加工轨迹并确定激光工艺参数；发射高能短脉冲激光束3冲击覆盖有铝箔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，钟金杉，程晓农，罗开玉，齐晗，罗密，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：