[发明专利]光纤激光器熔覆制备类金刚石涂层的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特指一种通过一种光纤激光器进行碳纳米管熔覆制备类金刚石薄膜涂层的方法和装置。

背景技术

类金刚石薄膜是一种非晶碳薄膜，当其中的金刚石相比石墨相多时，膜层呈现出近似金刚石的特性，具有超高的硬度、和导电率等性能，而同时又具有独特的摩擦学特性，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景。制备类金刚石薄膜的方法主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD），具体有离子束辅助沉积法、磁控溅射法、真空阴极电弧沉积法、脉冲激光沉积法和等离子体增强化学气相沉积。专利号为CN 1962958A的中国专利，公开了一种是用液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法，使用石墨作为阳极，基底硅片为阴极，电解电压为高频脉冲直流电压，电解液为二甲亚砜，可以在不规则表面较大面积成膜，然而其沉积速率较慢，所获得涂层较薄。专利号为CN 1603464A的中国专利，公开了一种制备金刚石薄膜的辅助栅极热丝化学气相沉积法，在热丝CVD沉积金刚石薄膜的基础上，增加一种辅助栅极，辅助栅极在热丝作用下先行沉积一层金刚石薄膜，然后在栅极和热丝之间施加直流偏压，正离子轰击栅极表面的金刚石膜，被轰击下来的金刚石原子团溅射到衬底上，溅射对衬底上金刚石的高密度形核和二次形核起了关键作用，保证了纳米金刚石薄膜的生长。但其工艺温度较高，引起基材性能改变工件尺寸变形，且无法在某些熔点低的基材上沉积。

发明内容

本发明的目的是解决类金刚石薄膜涂层制备过程中的反应速率慢、涂层与基体结合强度不够和不能进行三维选区制备的问题，提供一种方便、快速、立体制备类金刚石涂层的方法。

本发明所指的制备类金刚石薄膜的方法采用光纤激光熔覆碳纳米管，碳纳米管吸收激光能量迅速发生熔融，变为液态碳，随后又以极快的冷却速率冷却，金刚石形核并长大，在这极短的时间内产生了一个应力，发生了相变，一部分碳纳米管相变成了金刚石相，其与基体材料微熔的表层发生分子、原子级的扩散，形成了强固的冶金结合的类金刚石涂层，且极快的冷却速度导致非平衡凝固，获得的金刚石组织细小，近似纳米结构。采用光纤传输激光，配合机器人系统，加工柔性化程度极高，可进行三维选区立体制备涂层。本方法获得的类金刚石涂层厚度较厚且厚度均匀可控，反应时间快，涂层与基体的结合强度大。

本发明的装置的构成：

光纤激光器包括三个多模激光二极管泵浦源通过耦合器耦合，光纤光栅将泵浦源的尾纤与掺镱离子光纤盘熔接为一体，聚焦准直器与激光头通过光纤连接；双包层掺镱离子光纤，由纤芯、内包层、外包层和保护层组成，镱离子掺杂在纤芯中，内包层形状为六边形；

光纤激光头与碳纳米管喷头通过螺纹连接固定，碳纳米管喷头底端为直径16mm的光束通道，其中间有一块圆形玻璃挡板，用来保护昂贵的激光头；六自由度机械手安装于真空腔的内壁，六自由度机械手夹持碳纳米管喷头以进行平移、旋转运动，适应多方位立体加工；真空腔为长方体，靠近腔体底面部分有一真空抽气泵，用来控制腔内气压；工件固定夹紧于工作台上；碳纳米管喷头上有四个入粉口，分布在粉末喷头横截面两条垂直直径的同一圆周上，其与送粉器通过导管相接；送粉器的顶端有一加粉口，工作时密封固定，送粉器腔内储有碳纳米管颗粒，通过氩气源载入氩气将碳纳米管通过导管送入四个入粉口，并在粉末喷头底端汇聚形成粉末流，与激光束发生作用；计算机系统控制光纤激光器的运作、激光参数的设置和控制六自由度机械手的运动。

本发明实施方法为：

1. 用砂纸磨除工件表面的氧化层并抛光，然后使用乳化剂、无水乙醇除油清洗，最后干燥处理；

2. 打开真空腔，把工件定位夹紧在工作台上，光纤激光头通过螺纹连接在粉末喷头上，六自由度机械手夹持粉末喷嘴，关闭密封真空腔，使用真空抽气泵抽气，使内压达到10^-4~10^-2Pa；

3. 在送粉器中添加碳纳米管，搅拌使其混合均匀，通入氩气，设置送粉量为10~20g/min，移动机械手，使喷头上四处粉末汇聚的地方位于预加工表面的平面内；

4. 打开光纤激光器，由计算机设置光纤激光的参数，激光功率为600~1200W，激光光斑直径为5~14mm，激光70%~80%能量被粉末流吸收， 20%~30%能量用于基体材料表层的微熔化。由计算机系统控制六自由度机械手，使得激光束与碳纳米管束流同步同轴扫描工件，搭接率为15~50%。

本法明的有益之处：