一種利用超短脈沖激光制備鈦合金超疏水抗霜凍表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基材表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及鈦合金基體上超疏水抗霜凍表面的 制備方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用超短脈沖激光制備鈦合金超疏水抗霜凍表面 的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 自然界中的動(dòng)植物經(jīng)過億萬年的選擇與進(jìn)化，擁有其獨(dú)特的生存方式，超疏水自 清潔表面就是其中一種：弱小的昆蟲身體表面，由于具備超疏水功能，使其能夠在雨中飛 行；水蜘蛛的腳上由于具有超疏水的微納結(jié)構(gòu)，使其能夠在水面上幾乎無阻力爬行；荷葉 表面的超疏水結(jié)構(gòu)大大提高了其自清潔功能；玫瑰花等植物的花瓣表面就具有非常突出的 超疏水性，這些性能在材料防腐蝕、抗氧化等方面有非常廣泛的應(yīng)用前景，由此引起了金屬 表面浸潤(rùn)性在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此在金屬材料上制備出超疏水表面得到越來越多的關(guān) 注，人們渴望將超疏水性能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在鈦合金表面上制備出超疏水的性能。 通常規(guī)定，將水滴在表面的接觸角CA大于90°稱為疏水表面，當(dāng)接觸角CA大于150°、滾 動(dòng)角TA小于10°的表面稱為超疏水表面。
[0003] Ti6A14V鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、等特性，是一種輕質(zhì) 高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)材料，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，航空航天行業(yè)等。作為飛機(jī)的 主要結(jié)構(gòu)材料之一，鈦合金的應(yīng)用水平是衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，是影響 飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)性能的一個(gè)重要方面。用激光技術(shù)加工Ti6A14V鈦合金表面，使Ti6A14V鈦合金 表面形成抗霜凍的超疏水表面，非常具有應(yīng)用前景。
[0004] 金屬材料的浸潤(rùn)性是金屬表面很重要的一個(gè)特征，材料的微觀結(jié)構(gòu)以及組成成分 共同影響著材料表面的浸潤(rùn)性。在金屬材料上制備出超疏水的方法有很多，典型的方法 有：陽極氧化法、化學(xué)藥水腐蝕法、電化學(xué)刻蝕+化學(xué)腐蝕法、激光刻蝕+化學(xué)腐蝕法。陽 極氧化法就是將多孔氧化鋁凝膠浸入沸水當(dāng)中，然后將升華的材料和鋁石或者硅石混合， 為了有效地獲得超疏水表面，還需要用低表面能物質(zhì)對(duì)表面進(jìn)行必要的修飾，加工的效率 并不高。而其他方法都離不開化學(xué)藥水的浸泡，通過將樣品泡置在化學(xué)試劑中，使其表面形 成凹坑狀微結(jié)構(gòu)。這些方法對(duì)環(huán)境的污染較大，操作工藝復(fù)雜。針對(duì)在Ti6A14V鈦合金材 料上制備出超疏水表面，將使用一種無化學(xué)藥水、無污染操作簡(jiǎn)單的激光加工法，在材料表 面形態(tài)高度一致的微結(jié)構(gòu)上改善鈦合金表面形貌，實(shí)現(xiàn)材料表面超疏水自清潔的要求，對(duì) 于提高效率、節(jié)能、保護(hù)環(huán)境等都具有重要意義。申請(qǐng)?zhí)枮?01310079939. 7的專利公開了 一種鋁合金仿生超疏水表面的制備方法，首先以無水乙醇清洗鋁合金，然后在鋁合金表面 進(jìn)行激光加工，在試樣表面加工出無數(shù)微尺度的彈坑狀結(jié)構(gòu)，再將試樣浸入化學(xué)刻蝕溶液 中，使試樣表面的形貌特征發(fā)生改變，但該方法未完全突破傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻的表面處理工藝， 采用激光加工工藝后還進(jìn)一步利用了化學(xué)刻蝕，且將經(jīng)過化學(xué)刻蝕后的鋁合金試樣放入含 有DTS的甲苯溶液中進(jìn)行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，該處理工藝復(fù)雜，且使 用了高毒致癌物質(zhì)甲苯，容易造成環(huán)境污染。申請(qǐng)?zhí)枮?01410788477. O的專利申請(qǐng)公開 了一種鈦合金表面超疏水微納結(jié)構(gòu)的制備方法，先對(duì)鈦合金樣品分別用丙酮和無水酒精進(jìn) 行超聲波清洗，得到表面干凈的鈦合金樣品；然后對(duì)表面干凈的鈦合金樣品表面進(jìn)行飛秒 激光光刻加工，一步得到具有光柵型或井型或圓形盲孔型超疏水微納結(jié)構(gòu)表面的鈦合金樣 品。雖然利用飛秒激光器能加工出非常精確的微觀結(jié)構(gòu)表面，但是這種簡(jiǎn)單的方法也不能 掩蓋飛秒激光器固有缺點(diǎn)，如價(jià)格及其昂貴、加工效率低、加工環(huán)境苛刻的缺陷。申請(qǐng)?zhí)枮?200910183588. 8的專利公開了一種仿生金屬超潤(rùn)濕跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與制備方法，該方 法通過復(fù)雜的超親水理論設(shè)計(jì)，將待處理樣品置于高真空室中，分別在不同角度下進(jìn)行兩 次掃描，最終獲得接近自然生物表面形貌的跨尺度微結(jié)構(gòu)，但是該方法需嚴(yán)格控制各項(xiàng)工 藝參數(shù)，處理成本過高，完全不適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0005] 綜上所述，開發(fā)出一種工藝簡(jiǎn)單，制備效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，且不產(chǎn)生任何 環(huán)境污染，一次性實(shí)現(xiàn)金屬基材表面超疏水抗霜凍性能而無需經(jīng)過任何化學(xué)工藝處理的方 法，是目前科研工作者亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單，制備效率 高、綠色環(huán)保的鈦合金超疏水表面制備方法。本發(fā)明的方法可在各種尺寸和不同形狀的鈦 合金材料表面獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的、接觸角大于150°、滾動(dòng)角小于10°的超疏水表面，同時(shí)制 得的表面還具有出色的抗霜凍性能。
[0007] 本發(fā)明的目的具體是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用超短脈沖激光制備鈦合 金超疏水抗霜凍表面的方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一，將待處理的鈦合金表面進(jìn)行拋光預(yù)處理，得到表面拋光后的鈦合金樣 品；
[0009] 步驟二，將步驟一所述表面拋光后的鈦合金樣品放在盛有去離子水的超聲波清洗 儀中清洗，清洗干凈后，將所述鈦合金樣品表面用冷風(fēng)吹干或室溫自然晾干，得到潔凈的鈦 合金樣品；
[0010] 步驟三，利用激光加工技術(shù)，采用超短脈沖激光器調(diào)節(jié)好相關(guān)的工藝參數(shù)后對(duì)步 驟二所述得到的潔凈鈦合金樣品表面進(jìn)行激光掃描處理，在樣品表面加工出無數(shù)的微納結(jié) 構(gòu)；
[0011] 所述激光掃描米用振鏡系統(tǒng)進(jìn)行光束掃描，振鏡掃描的速度為0. lmm/s-30m/s，激 光的通斷及振鏡系統(tǒng)的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè)定；
[0012] 或所述激光掃描米用多棱鏡系統(tǒng)進(jìn)行光束掃描，多棱鏡掃描的速度為lm/s-800m/ s，激光的通斷及多棱鏡系統(tǒng)的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè) 定；
[0013] 或所述激光掃描使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將光束固定，樣品相對(duì)光束運(yùn)動(dòng)，平臺(tái) 運(yùn)動(dòng)的速度為0. lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡和速度均由計(jì)算機(jī)程序控制和設(shè) 定；
[0014] 步驟四，將步驟三所述得到的表面經(jīng)過激光加工處理后的鈦合金樣品放入恒溫恒 濕電熱干燥箱內(nèi)烘烤，即得到所述鈦合金超疏水抗霜凍表面；
[0015] 其中，步驟三所述的超短脈沖激光器波長(zhǎng)小于1550nm，所述激光加工參數(shù)為：脈 寬大于l〇ps，單脈沖能量小于0. 08mJ。
[0016] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中所述的鈦合金優(yōu)選為Ti6A14V鈦合金。
[0017] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中步驟三所述超短脈沖激光器的重復(fù)頻率為 200kHz-lMHz，所述脈寬為 IOps-IOns。
[0018] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超短脈沖激光器的波長(zhǎng)為1064nm，所述超短脈沖激光器的脈 寬為 80ps_10ns。
[0019] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為80ps，所述單脈沖能量為7. 5 μ J-8. 5 μ J，所述激光掃 描速度為 200mm/s-600mm/s。
[0020] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為l〇ns，所述單脈沖能量為0. 06mJ-0. 07mJ，所述激光掃 描速度為 1500mm/s-2000mm/s。
[0021] 再進(jìn)一步優(yōu)選地，所述超短脈沖激光器的重復(fù)頻率為200kHz，所述單脈沖能量為 8. 5 μ J，所述激光掃描速度為400mm/s。