一種利用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(shuō)，本發(fā)明涉及一種利用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(guò)億萬(wàn)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(chóng)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(wú)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(lái)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(chēng)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(chēng)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(yáng)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(yáng)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(kāi)化學(xué)藥水的浸泡，通過(guò)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(wú)化學(xué)藥水、無(wú)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?01410657627. 4的專(zhuān)利公開(kāi)了一種超疏 水高粘附金屬表面及其制備方法，通過(guò)高功率皮秒或飛秒激光在金屬表面制備類(lèi)玫瑰花表 面微觀結(jié)構(gòu)的周期性微納米結(jié)構(gòu)，再通過(guò)低自由能物質(zhì)的表面修飾，實(shí)現(xiàn)了超疏水高粘附 金屬表面的制備，該方法采用低表面能物質(zhì)對(duì)表面進(jìn)行必要的修飾，加工效率低；例如，申 請(qǐng)?zhí)枮?01410788477. 0的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)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(wú)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?00910183588. 8的專(zhuān)利公開(kāi)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(guò)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(guò)高，完全不適合工業(yè)化大規(guī)模 生產(chǎn)。
[0005] 綜上所述，開(kāi)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(wú)需經(jīng)過(guò)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(wèn)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)保的鈦合金超疏水抗霜凍表面的制備方法。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(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用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(wú)數(shù)的微結(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)的速度為〇.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(guò)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，步驟三所述的短脈沖激光器波長(zhǎng)小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光 加工參數(shù)為：脈寬大于l〇ns，單脈沖能量小于I. 03mJ。
[0016] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中所述的鈦合金優(yōu)選為T(mén)i6A14V鈦合金。
[0017] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案中步驟三所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為 70kHz-1000kHz，所述脈寬為 10ns-500ns。
[0018] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的波長(zhǎng)為1064nm，所述短脈沖激光器的脈寬為 20ns-240ns〇
[0019] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為240ns，所述單脈沖能量為0. 42mJ-0. 52mJ，所述激光 掃描速度為 2500mm/s-4000mm/s。
[0020] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述脈寬為20ns，所述單脈沖能量為0.ImJ-O. 12mJ，所述激光掃 描速度為 1500mm/s-2000mm/s。
[0021] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述短脈沖激光器的重復(fù)頻率為500kHz-600kHz。
[0022] 進(jìn)一步地，上述技術(shù)方案步驟四中所述電熱干燥箱內(nèi)的壓力為普通大氣壓，濕度 為40% -60%RH、溫度為100°C_250°C，所述樣品烘烤的時(shí)間為2-8小時(shí)，所述電熱