[发明专利]一种激光冲击压印的双尺度织构制备装置及方法

权利要求书

1.一种激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：利用激光在样品(9)上通过冲击形成双尺度的复合压印，即在形成了均布的大尺寸织构表面再压印出均布的小织构；其包括激光冲击设备、压印模板和计算机(4)，激光冲击设备与计算机(4)连接，通过计算机(4)控制激光冲击设备工作；其中激光冲击设备包括顺序设置的激光器(1)、扩束镜(2)、光学振镜(3)和聚焦镜(5)；压印模板为复合多层结构，从上到下依次为约束层(7)、吸收层(8)、样品(9)、大尺度模板(10)和小尺度模板(11)，约束层(7)、吸收层(8)、样品(9)、大尺度模板(10)和小尺度模板(11)通过光滑平台(12)夹持固定，其中大尺度模板(10)和小尺度模板(11)配合形成样品(9)需要压制的花纹；

其中约束层(7)为透明玻璃，约束层(7)和吸收层(8)压紧在一起，脉冲激光通过聚焦镜(5)透过约束层(7)照射在吸收层(8)使之表层燃烧，约束层(7)约束脉冲激光在吸收层(8)上产生的爆炸等离子体(6)的作用方向，使等离子体爆炸作用在吸收层(8)下方的样品(9)上使样品(9)产生塑性变形；具体的，被脉冲激光照射的吸收层(8)产生部分燃烧，剩余厚度的吸收层(8)紧贴在样品(9)上，防止样品(9)表面被等离子体爆炸产生的热效应灼伤，等离子体爆炸产生的高压冲击波先作用在吸收层(8)上，而后进一步作用在样品(9)上使样品(9)产生塑性变形，每一个脉冲激光诱导一次爆炸，脉冲激光受光学振镜(3)控制移动，使爆炸燃烧的位置随脉冲激光的照射位置变化，同时样品(9)的下表面与大尺度模板(10)和小尺度模板(11)互相作用而产生双尺度织构；从而制备双尺度织构的样品(9)，通过激光爆炸冲击产生的变形应变率高，无热效应灼伤、提高改善材料性能和抗疲劳特性。

2.根据权利要求1所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：大尺度模板(10)和小尺度模板(11)上均设有需要压制在样品(9)的模板纹路，大尺度模板(10)上压制花纹的结构尺寸是小尺度模板(11)的压制花纹的结构尺寸10倍以上，以降低小尺度模板(11)上结构对大尺度模板(10)上结构压印的时候影响，其中，大尺度模板(10)上结构的尺寸在20μm～500μm范围内，小尺度模板(11)上结构的尺寸在50nm～10μm范围内。

3.根据权利要求2所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：大尺度模板(10)上的模板纹路包括圆孔、圆柱凸起、方形孔或条形沟槽；小尺度模板(11)上模板纹路包括圆孔、圆柱凸起、方形孔或条形沟槽。

4.根据权利要求3所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：一次激光爆炸冲击压印能够同时在样品(9)表面加工双尺度的织构，在小尺度模板(11)上分布四种不同类型结构时，样品(9)激光冲击压印后可同时制备四种类型的双尺度表面织构。

5.根据权利要求2所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：脉冲激光在燃烧吸收层(8)并诱导爆炸等离子体(6)产生高压等离子体爆炸，离子体爆炸产生高压冲击波作用在样品(9)表面，样品(9)受高压冲击波作用后首先依照大尺度模板(10)上的纹路变形，在样品(9)表面压印出大尺度织构；样品(9)表面变形进入到大尺度模板(10)上的孔内并触底与小尺度模板(11)挤压，样品(9)表面的大尺度织构底部压印出小尺度织构，从而实现激光冲击压印在样品(9)表面制备双尺度织构。

6.根据权利要求1所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置，其特征在于：样品(9)为金属箔，压印前先对样品(9)进行激光冲击压印预处理使表面光滑，再进行激光冲击压印的双尺度织构制备，样品(9)、吸收层8、约束层7依次安装在光滑平台(12)上，利用脉冲激光诱导爆炸等离子体(6)爆炸冲击样品(9)，样品(9)在冲击波压力作用下与光滑平台(12)互相作用，使样品(9)表面原始的粗糙形貌被挤压而变得光滑，从而在激光冲击压印样品(9)时能够形成质量更好的双尺度表面织构。

7.一种使用权利要求1所述激光冲击压印的双尺度织构制备装置的压印方法，其特征在于，步骤如下：

S1、打开计算机(4)、激光器(1)，调整扩束镜(2)、光学振镜(3)、聚焦镜(4)使脉冲激光的光斑直径尽可能小；

S2、不放置大尺度模板(10)和小尺度模板(11)，将样品(9)、吸收层(8)、约束层(7)依次安装在光滑平台(12)上，控制脉冲激光对样品(9)进行冲击预处理，把样品9提前在光滑平台(12)的平面上压一遍，使样品(9)表面的原始粗糙形貌变得尽可能光滑，样品9的原始厚度在5μm～100μm范围内；

S3、将预冲击处理后的样品(9)取下，对样品(9)、大尺度模板(10)、小尺度模板(11)、约束层(7)进行清洗，在样品(9)、吸收层(8)、大尺度模板(10)、小尺度模板(11)表面涂覆少量润滑脂来防止各层之间存在空气而影响激光冲击压印的冲击波强度，而后依次将小尺度模板(11)、大尺度模板(10)、样品(9)、吸收层(8)、约束层(7)安装并夹紧在光滑平台(12)上；其中，大尺度模板(10)上微结构尺寸是小尺度模板(11)上微结构尺寸的10倍以上，大尺度模板(10)和小尺度模板(11)的厚度均要小于样品(9)的原始厚度；

S4、开启激光器(1)和计算机(4)，在计算机(4)上设置双尺度激光冲击压印的冲击压印范围后，对样品(9)进行激光冲击压印双尺度织构加工；脉冲激光在燃烧吸收层(8)并诱导爆炸等离子体(6)产生高压等离子体爆炸，离子体爆炸产生高压冲击波作用在样品(9)表面，样品(9)受高压冲击波作用后首先依照大尺度模板(10)上的纹路变形，在样品(9)表面压印出大尺度织构；样品(9)表面变形进入到大尺度模板(10)上的孔内并触底与小尺度模板(11)挤压，样品(9)表面的大尺度织构底部压印出小尺度织构，从而实现激光冲击压印在样品(9)表面制备双尺度织构；

S5、完成激光冲击压印双尺度表面织构后，将样品(9)取下，完成在金属材质的样品(9)表面进行微纳米尺度的高精度压印制备双尺度表面织构。