[发明专利]激光辐照大幅度提升锆基非晶合金表面硬度的方法

说明书

本发明提供了一种激光辐照大幅度提升锆基非晶合金表面硬度的方法，属于非晶合金表面改性技术领域。所述方法包括在氮气环境下对锆基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，引入氮化锆相，利用正交试验设计优化激光参数调控氮化锆相含量，进而控制非晶合金表面硬度，在优选实验参数下辐照后的非晶合金表面硬度得到了大幅度提高。本发明的方法正交试验设计试验次数少、数据分布均匀、最大限度地减少了试验误差；效率高、方法简单、易实施、实用性强、经济；硬度可调控，可通过调节激光辐照参数改变锆基非晶合金表面硬度，增强其实际应用。

技术领域

本发明涉及非晶合金表面改性技术领域，特别涉及一种激光辐照大幅度提升锆基非晶合金表面硬度的方法。本发明的正交试验设计具有效率高、数据分布均匀、方法简单、易实施、实用性强等诸多优点。

背景技术

液相中金属元素的大冷却速率使得非晶合金没有晶体原子结构，不存在晶界和位错缺陷，所以非晶合金具有优异的性能，例如强度高，弹性高，耐腐蚀性强。这些特性使非晶合金在航空航天，精密机械，军用武器和其他领域具有潜在的应用前景。但是在拉伸载荷作用下，非晶合金容易发生高度局部的剪切带变形，上述问题限制了其作为结构材料和工程材料的实际应用。另外，非晶合金的高硬度可以使其作为功能接触材料，为了提高应用性，有必要进一步提高其表面硬度。

近些年，激光氮化已经被应用于锆基非晶合金表面硬度的提高。例如，Huang Hu等在2018年《Journal of Alloys and Compounds》第770卷864-874(The coupling effectsof laser thermal shock and surface nitridation on mechanical properties ofZr-based metallic glass)中在氮气氛围内利用纳秒激光辐照锆基非晶合金表面的方法来实现表面硬度的提高。然而，截止目前，由于没有进行参数优化该方法仅使非晶合金表面硬度提高15.7％。因此，迫切需要进一步系统地设计实验，优化激光参数，实现锆基非晶合金表面硬度的大幅度提高，以增强非晶合金的功能应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光辐照大幅度提升锆基非晶合金表面硬度的方法，克服现有技术存在的上述问题。本发明提供了一种激光辐照大幅度提升锆基非晶合金表面硬度的方法，所述方法包括在氮气环境下对锆基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，引入氮化锆相，利用正交试验设计优化激光参数调控氮化锆相含量，进而控制非晶合金表面硬度，在优选实验参数下辐照后的非晶合金表面硬度得到了大幅度提高；具体步骤包括：

(1)对锆基非晶合金表面进行机械研磨、抛光，并利用酒精进行清洗，然后干燥；

(2)利用纳秒脉冲激光器在氮气氛围内对锆基非晶合金表面进行辐照，通过正交试验设计改变激光参数，从而实现对激光氮化锆基非晶合金表面硬度的调控。

所述的纳秒激光辐照工艺参数为：激光脉冲宽度为10ns，波长1064nm，重复频率600kHz，光斑直径43μm，激光平均功率0.8～12.1W，扫描速度10～80mm/s，相邻扫描线重叠率10％～80％，激光辐照次数1～4。

按照激光辐照工艺参数进行辐照后，非晶合金表面硬度获得了显著提高，在压痕载荷为120mN时，原始非晶合金表面硬度为6.50GPa，而在激光平均功率为7.1W，扫描速度为10mm/s，相邻扫描线重叠率为70％，激光辐照次数为4的试验条件下进行激光辐照后表面硬度最高可以达到24.68GPa，相比原始非晶合金表面提高了279％。

改变激光辐照工艺参数，可以实现对非晶合金表面硬度的调控。在0.8～12.1W区间调节激光平均功率，平均表面硬度变化区间为6.06～12.78GPa，在10～80mm/s区间调节扫描速度，平均表面硬度变化区间为7.95～14.31GPa，在10％～80％区间调节相邻扫描线重叠率，平均表面硬度变化区间为9.42～10.35GPa，在1～4区间调节激光辐照次数，平均表面硬度变化区间为7.67～9.76GPa。