微尺度激光喷丸强化TiN涂层的实验研究Word文档下载推荐.docx

1、结果表明，喷丸区域形成了最大深度约 1.2m 的圆锥10 形凹坑；纳米硬度和弹性模量在喷丸中心处变化最大并在一定范围内随着激光能量的增大而增大，当激光能量为 250mJ 时，两者最大分别达到 50.21GPa 和 402.8GPa，与初始状态相比分别提高了 140%和 43.9%。关键词：激光技术；激光喷丸强化；TiN 涂层；表面形貌；纳米硬度中图分类号：TN249; TG17815 Experimental Study of Microscale Laser Shock Peening on TiN Coating WEI Denghui, ZHOU Jianzhong, HUANG Shu

2、, FAN Yujie, ZHU Wei （Jiangsu University, JiangSu ZhenJiang 212013） 20 Abstract: Microscale laser shock peening （LSP） based on laser shock peening （LSP） is a novel surface modification technology aimed at metal microstructures, with micrometers laser spot and JmJ laser energy. LSP on TiN coating is

3、investigated in this study to further improve the surface properties of TiN coating. Optical profile and nano mechanical test system were used to observe and measure the surface morphology, nano-hardness and elastic modulus of TiN coating 25 in peening area. The experimental results show that a coni

4、cal dent was formed in peening area after LSP, the biggest depth is about 1.2m; the nano-hardness and elastic modulus were significantly changed in the center of peening area, and within a certain range, they are enhanced with the increase of laser energy. When the laser energy is 250mJ, the nano-ha

5、rdness and elastic modulus are both reached the maximum, 50.21GPa and 402.8GPa respectively. Compared with 30 the initial state of TiN coating before LSP, they are increased by 140% and 43.9% respectively.Keywords: Laser technique; Laser shock peening; TiN coating; Surface morphology;Nano-hardness0

6、引言35 近年来国内外学者对激光喷丸强化（Laser Shock Peening, LSP）技术进行了大量的研究，取得了一系列的进展和成果。但目前有关 LSP 技术研究所采用的激光光斑尺寸通常在 mm量级，脉冲能量则在数焦耳至数十焦耳之间，其应用对象主要是面向宏观金属结构的表面处理1,2。针对微机电系统中越来越多的金属微构件表面受损失效问题3，Yao 等4-6提出了微尺度激光喷丸强化（Microscale Laser Shock Peening, LSP）的概念。LSP 是在 LSP 的基础40 上发展而来，所不同的是其采用的激光光斑在 m量级，脉冲能量则在 JmJ 范围，主要是应用于各种金属

7、微构件（包括涂层薄膜微构件）表面的强化处理，其通过在金属微结构表面 - 2 - 中国科技论文在线层产生有益的残余压应力分布，有效提高微构件的抗疲劳和磨损性能，进而提高其可靠性，延长微结构器件的使用寿命。LSP 与 LSP 基本强化原理相似，但又表现出不同的特点及影响因素。最为明显的为 LSP 中特有的微尺度效应，其包括两个方面：一是当激光光斑尺寸45 在 m量级时，原先激光能量的一维均匀分布假设不再成立，此时激光诱导的等离子体冲击波不仅沿轴向传播，还沿径向扩张，激光冲击波不仅对靶材施加轴向冲击力，还施加径向冲击力；二是由于被处理对象的尺寸极其微小，且靶材塑性变形区的大小与一个或几个晶粒的大小相

8、当，因而材料的许多特性与其在宏观尺寸下差别较大，材料的晶粒组织和各向异性对塑性变形行为影响严重7,850 工业中采用物理或化学气相沉积方法制备所得的 TiN 涂层的硬度一般在 20GPa 左右，弹性模量在 250GPa 左右。随着应用的广泛，人们对 TiN 涂层的综合性能提出了越来越高的要求，随即出现了许多对 TiN 涂层进行改性的技术，如采用多组元、多层及复合涂层等来进一步改善 TiN 涂层的硬度、耐磨损性以及与基体的结合强度等性能9,10采用微尺度激光喷丸强化技术应用于 TiN 涂层的改性，在不改变涂层自身成分及相态的基础上，具有灵活55 性高、可控性强、柔性大等优点。本文采用直径为 30

9、0m 的激光光斑对 TiN 涂层进行单点微尺度激光喷丸强化处理，分析讨论不同激光工艺参数作用下涂层喷丸区域的表面形貌、纳米硬度及弹性模量分布，为后续大面积搭接喷丸表面完整性研究提供指导。1 实验TiN 涂层选用刀具中常用的 WC 硬质合金作为基体材料，试样尺寸为 12122mm360 涂层的制备选用苏州星弧涂层科技有限公司的 Jupiter 系列 PVD（物理气相沉积）涂层设备，通过 Starsphenc-02 涂层测厚仪测得 TiN 涂层的平均厚度为 2.65m。图 1 微尺度激光喷丸强化实验装置图Fig.1 Experimental setup of microscale laser sh

10、ock peening 65 微尺度激光喷丸强化实验装置如图1所示，其中激光器为Spitlight 2000型 调Q Nd:YAG 脉冲激光器（激光波长 1064nm，脉冲宽度 8ns，重复频率 5Hz），通过会聚透镜将激光光束直径聚焦为 300m 左右。采用黑漆作为能量吸收层，厚度约 10m；约束层则选用 3mm厚的 K9 光学玻璃。实验中在试样中心区域冲击 3 排，每排代表一种激光能量，同时每排冲70 击 5 个点以方便求取各响应值的平均值，各冲击点冲击次数为 1 次，间距为 1mm。2 结果与讨论2.1 表面形貌在微尺度激光喷丸强化中，当激光诱导的冲击波峰值压力超过试样材料的动态屈服强度

11、时，试样表面就会产生塑性变形，从而形成具有一定深度的圆形凹坑。本文采用 VEECO - 3 - 75 WYKO NT1100 型非接触式光学轮廓仪，对激光喷丸后试样的表面形貌进行检测分析。运用该光学轮廓仪中的垂直扫描干涉测量法，可准确测量材料表面的高度微差，并通过分析软件Vision 3.0 计算生成扫描区域的三维形貌。（a）三维云图 （b）平面云图80 （a） 3D image （b） 2D image （c）X 方向表面凹坑轮廓 （d）Y方向表面凹坑轮廓 （c） Dent profile of X direction （d） Dent profile of Y direction 图 2

12、典型 TiN 涂层喷丸区域表面形貌图 85 Fig.2 Typical peening area morphology of TiN coating 图 2 所示为 TiN 涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后喷丸区域典型表面形貌图，所用激光能量为 200mJ。图 2（a）、（b）分别为试样喷丸区域三维及平面云图，其中扫描区域为 226297m，由图可以发现，凹坑近似为一个圆形，只是在右上角有所缺失，这与激90 光光束的不稳定性及黑漆喷涂不均匀性有关。图 2（c）、（d）为试样喷丸区域任一横截面处 X 和 Y 方向的表面轮廓图，由图可知，凹坑变形直径约为 200m，小于激光光斑直径，这是由于激光

13、能量在空间为高斯分布，而 TiN 涂层的材料屈服强度又很高，在激光光斑边缘处激光能量较小，材料表面不足以产生塑性变形。同时，由图中还可以发现，试样喷丸区域塑性变形沿光斑中心处近似为对称分布，并在喷丸区域中心处塑性变形达到最大，随着与95 喷丸区中心距离的增大，塑性变形逐渐减小并在凹坑边缘处出现轻微的凸起。由于图中单位在微米量级，因而曲线波动较大，不过总体趋势较为理想。图 3 不同激光能量下凹坑轮廓Fig.3 Dent profiles under different pulse energy 100 图 3 所示为不同激光能量下试样表面喷丸区域的凹坑轮廓。由图中可以发现，随着激光 - 4 -

14、能量的增大，凹坑塑性变形范围与变形深度也随之增大，在激光能量为 250mJ 时，凹坑最大塑性变形深度达到 1.2m。2.2 纳米硬度105 微尺度激光喷丸强化通过使 TiN 涂层表面产生塑性变形，并形成一定深度有益的残余压应力分布，从而提高其表面的硬度及耐磨损性能，因此如何正确表征涂层试样经冲击后表面硬度的变化，是研究微尺度激光喷丸 TiN 涂层表面强化的一个关键问题。本文采用 triblab 原位纳米力学测试系统，对试样表面进行纳米压痕测试，最终获得不同激光能量下 TiN 涂层表面的硬度及弹性模量值。试验中选用原位成像模式进行加载，施加最大载荷为 1500N，110 以恒定速率 150N/s

15、 进行加载，达到最大载荷后保载 10s，以减小蠕变对卸载位移的影响，最后以同样速率卸载至最大载荷的 10%，恒定载荷保持 60s，同时监测位移用于温度漂移修正。图 4 所示为 Berkovich 金刚石压头在试样表面所形成的压痕三维形貌图，从图中可以看出，压痕的接触半径约为 0.2m，压入深度约为 50nm，远小于涂层厚度的 1/8，因而测试不会受到基体的影响。115 图 4 压痕三维形貌图Fig.4 3D image of the indention 120 （a）载荷位移曲线 （b）硬度与弹性模量值（a） Load-depth curve （b） Hardness and elastic

16、modulus 图5 不同激光能量下喷丸中心处纳米压痕测试 Fig.5 Nano-indention test under different laser energy 125 图 5（a）所示为不同激光能量下 TiN 涂层表面激光喷丸中心处的载荷位移曲线，图 5（b）为根据上述曲线计算所得的硬度与弹性模量值，TiN 涂层在未经激光喷丸前硬度与弹性模量分别为 20.85GPa 和 279.92GPa；经过激光喷丸后，其硬度与弹性模量均随着激光能量的增大而增大，在激光能量为 250mJ 时，硬度与弹性模量达到最大，分别为 50.21GPa 和402.8GPa，提高了 140%和 43.9%，达到

17、了金刚石、C-BN 及 -C3N4 等三类传统超硬质涂层130 （50GPa）的硬度。涂层喷丸区域内硬度与弹性模量的增大主要有以下三方面的原因：一是材料表层晶粒在激光冲击波压力作用下发生大量位错运动和孪晶，从而引起材料表面晶粒细化；二是剧烈塑性变形引起材料表面的加工硬化效应；三是激光喷丸在喷丸区域内诱导了 - 5 - 一定的残余压应力分布，这都有利于提高涂层表面的硬度等力学性能。135 （a）载荷位移曲线 （b）硬度与弹性模量值图6 喷丸区域内纳米压痕测试 Fig.6 Nano-indention test within peening area 140 图 6（a）所示为激光能量为 250m

18、J 时喷丸区域内不同位置处的载荷位移曲线，从左到右依次为喷丸中心处、距中心 50m 和 100m 处。图 6（b）为根据上述曲线计算所得的硬度与弹性模量值，可以看出，TiN 涂层在经过激光喷丸后，喷丸区域内的硬度与弹性模量均有了一定程度的提高，其中喷丸中心处的变化最大，随着与喷丸中心距离的增大，硬度与弹性模量依次降低，在距离喷丸中心 100m 处，硬度与弹性模量达到最小，接近涂层未处145 理前的状态。这与之前所得的试样表面喷丸区域塑性变形的变化趋势相一致（图 3），即硬度与弹性模量值随着塑性变形的增大而增大。3 结论1）TiN 涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后，喷丸区域形成了具有微小深度的

19、圆锥形凹坑，凹坑直径约为激光光斑直径的 2/3；随着激光能量的增大，凹坑塑性变形范围与变150 形深度也随之增大，在激光能量为 250mJ 时，凹坑最大塑性变形深度达到 1.2m。2）TiN 涂层试样经单点微尺度激光喷丸强化后，试样表面喷丸区域内的硬度和弹性模量均有了很大程度的提高，二者在喷丸中心处变化最大且随着与喷丸中心距离的增大而减小；同时喷丸中心处的硬度和弹性模量在一定范围内随着激光能量的增大而增大，当激光能量为 250mJ 时，两者达到最大值分别为 50.21GPa 和 402.8GPa，与初始状态相比分别提高了155 140%和 43.9%。本文采用微尺度激光喷丸强化技术对 TiN

20、涂层表面进行处理，在不改变涂层自身成分及相态的基础上进一步提高了其表面硬度、弹性模量等力学性能，提供了一种改善薄膜涂层表面性能的新方法，有助于拓展激光技术在薄膜涂层表面改性领域的应用。160 参考文献 （References） 1 黄舒, 周建忠, 蒋素琴, 等. 激光连续喷丸强化过程中应力的动态分析J. 中国激光, 2010, 37（1）:256-260. 2 杨超君, 周建忠, 张永康, 等. 激光冲击金属板料变形的最小激光能量估算及其实验研究J. 光学精密工程, 2006, 14（3）: 396-401. 165 3 胡光伟, 刘泽文, 侯智昊, 等. 用于制备高机械可靠性 RF MEM

21、S 开关的新型工艺J. 光学精密工程, 2008 16（7）: 1213- 1217. 4 ZHANG W W, YAO Y L. Microscale laser shock processing of metallic components J. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124（2）: 369-378 5 ZHANG W W, YAO Y L, NOYAN I C. Microscale laser shock peening of thin films, part 1: experiment, 170

22、 modeling and simulation J. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126: 10-17. - 6 - 6 ZHANG W W, YAO Y L, NOYAN I C. Microscale laser shock peening of thin films, part 2:modeling and simulation J. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, 126: 18-24. 7 WEI D H, ZHOU J

23、 Z, HUANG S, et al. Progress in theory and application research on microscale laser shock peening J. Advanced Materials Research, 2010, 135: 194-199. 175 8 GEERS M G D, BREKELMANS W A M, JANSSEN P J M. Size effects in miniaturized polycrystalline FCC samples: strengthening versus weakening J. International Journal of Solids and Structures, 2006, 43:7304-7321 9 王亮, 许晓磊, 许彬等. 离子氮碳共渗与离子镀 TiN 复合处理研究J. 金属热处理学报, 1999, 20 （3）:52-55. 10 董瑜亮, 闫旭波, 赵升升, 等. （Ti, Al）N/Ti2AlN 涂层的制备J. 金属学报, 2010, 46（6）: 743-747.