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
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于金屬基材表面改性技術領域，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】：
[0002] 自然界中的動植物經過億萬年的選擇與進化，擁有其獨特的生存方式，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構，使其能夠在水面上幾乎無阻力爬行；荷葉 表面的超疏水結構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用前景，由此引起了金屬 表面浸潤性在相關領域的應用。因此在金屬材料上制備出超疏水表面得到越來越多的關 注，人們渴望將超疏水性能應用于工業生產，尤其是在鈦合金表面上制備出超疏水的性能。 通常規定，將水滴在表面的接觸角CA大于90°稱為疏水表面，當接觸角CA大于150°、滾 動角TA小于10°的表面稱為超疏水表面。
[0003] Ti6A14V鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、等特性，是一種輕質 高強度耐蝕結構材料，被廣泛地應用于機械行業，醫療行業，航空航天行業等。作為飛機的 主要結構材料之一，鈦合金的應用水平是衡量飛機選材先進程度的重要標志之一，是影響 飛機戰術性能的一個重要方面。用激光技術加工Ti6A14V鈦合金表面，使Ti6A14V鈦合金 表面形成抗霜凍的超疏水表面，非常具有應用前景。
[0004] 金屬材料的浸潤性是金屬表面很重要的一個特征，材料的微觀結構以及組成成分 共同影響著材料表面的浸潤性。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、化學藥水腐蝕法、電化學刻蝕+化學腐蝕法、激光刻蝕+化學腐蝕法。陽 極氧化法就是將多孔氧化鋁凝膠浸入沸水當中，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對表面進行必要的修飾，加工的效率 并不高。而其他方法都離不開化學藥水的浸泡，通過將樣品泡置在化學試劑中，使其表面形 成凹坑狀微結構。這些方法對環境的污染較大，操作工藝復雜。針對在Ti6A14V鈦合金材 料上制備出超疏水表面，將使用一種無化學藥水、無污染操作簡單的激光加工法，在材料表 面形態高度一致的微結構上改善鈦合金表面形貌，實現材料表面超疏水自清潔的要求，對 于提高效率、節能、保護環境等都具有重要意義。申請號為201310079939. 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 進行激光加工，在試樣表面加工出無數微尺度的彈坑狀結構，再將試樣浸入化學刻蝕溶液 中，使試樣表面的形貌特征發生改變，但該方法未完全突破傳統化學蝕刻的表面處理工藝， 采用激光加工工藝后還進一步利用了化學刻蝕，且將經過化學刻蝕后的鋁合金試樣放入含 有DTS的甲苯溶液中進行修飾，在其表面逐漸形成低表面能的薄膜，該處理工藝復雜，且使 用了高毒致癌物質甲苯，容易造成環境污染。申請號為201410788477. O的專利申請公開 了一種鈦合金表面超疏水微納結構的制備方法，先對鈦合金樣品分別用丙酮和無水酒精進 行超聲波清洗，得到表面干凈的鈦合金樣品；然后對表面干凈的鈦合金樣品表面進行飛秒 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構表面的鈦合金樣 品。雖然利用飛秒激光器能加工出非常精確的微觀結構表面，但是這種簡單的方法也不能 掩蓋飛秒激光器固有缺點，如價格及其昂貴、加工效率低、加工環境苛刻的缺陷。申請號為 200910183588. 8的專利公開了一種仿生金屬超潤濕跨尺度結構設計方法與制備方法，該方 法通過復雜的超親水理論設計，將待處理樣品置于高真空室中，分別在不同角度下進行兩 次掃描，最終獲得接近自然生物表面形貌的跨尺度微結構，但是該方法需嚴格控制各項工 藝參數，處理成本過高，完全不適合工業化大規模生產。
[0005] 綜上所述，開發出一種工藝簡單，制備效率高，適用于產業化應用，且不產生任何 環境污染，一次性實現金屬基材表面超疏水抗霜凍性能而無需經過任何化學工藝處理的方 法，是目前科研工作者亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0006] 為了克服現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種工藝簡單，制備效率 高、綠色環保的鈦合金超疏水表面制備方法。本發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期穩定的、接觸角大于150°、滾動角小于10°的超疏水表面，同時制 得的表面還具有出色的抗霜凍性能。
[0007] 本發明的目的具體是通過下述技術方案實現的：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行拋光預處理，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，采用超短脈沖激光器調節好相關的工藝參數后對步 驟二所述得到的潔凈鈦合金樣品表面進行激光掃描處理，在樣品表面加工出無數的微納結 構；
[0011] 所述激光掃描米用振鏡系統進行光束掃描，振鏡掃描的速度為0. lmm/s-30m/s，激 光的通斷及振鏡系統的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計算機程序控制和設定；
[0012] 或所述激光掃描米用多棱鏡系統進行光束掃描，多棱鏡掃描的速度為lm/s-800m/ s，激光的通斷及多棱鏡系統的掃描范圍、掃描軌跡和加工速度均由計算機程序控制和設 定；
[0013] 或所述激光掃描使用運動平臺系統實現，將光束固定，樣品相對光束運動，平臺 運動的速度為0. lmm/s-3m/s，激光的通斷、平臺運動軌跡和速度均由計算機程序控制和設 定；
[0014] 步驟四，將步驟三所述得到的表面經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小于1550nm，所述激光加工參數為：脈 寬大于l〇ps，單脈沖能量小于0. 08mJ。
[0016] 進一步地，上述技術方案中所述的鈦合金優選為Ti6A14V鈦合金。
[0017] 進一步地，上述技術方案中步驟三所述超短脈沖激光器的重復頻率為 200kHz-lMHz，所述脈寬為 IOps-IOns。
[0018] 進一步優選地，所述超短脈沖激光器的波長為1064nm，所述超短脈沖激光器的脈 寬為 80ps_10ns。
[0019] 進一步優選地，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] 進一步優選地，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] 再進一步優選地，所述超短脈沖激光器的重復頻率為200kHz，所述單脈沖能量為 8. 5 μ J，所述激光掃描速度為400mm/s。