一种利用超短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于金属基材表面改性技术领域，涉及钛合金基体上超疏水抗霜冻表面的 制备方法，更具体地说，本发明涉及一种利用超短脉冲激光制备钛合金超疏水抗霜冻表面 的方法。
【背景技术】：
[0002] 自然界中的动植物经过亿万年的选择与进化，拥有其独特的生存方式，超疏水自 清洁表面就是其中一种：弱小的昆虫身体表面，由于具备超疏水功能，使其能够在雨中飞 行；水蜘蛛的脚上由于具有超疏水的微纳结构，使其能够在水面上几乎无阻力爬行；荷叶 表面的超疏水结构大大提高了其自清洁功能；玫瑰花等植物的花瓣表面就具有非常突出的 超疏水性，这些性能在材料防腐蚀、抗氧化等方面有非常广泛的应用前景，由此引起了金属 表面浸润性在相关领域的应用。因此在金属材料上制备出超疏水表面得到越来越多的关 注，人们渴望将超疏水性能应用于工业生产，尤其是在钛合金表面上制备出超疏水的性能。 通常规定，将水滴在表面的接触角CA大于90°称为疏水表面，当接触角CA大于150°、滚 动角TA小于10°的表面称为超疏水表面。
[0003] Ti6A14V钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、等特性，是一种轻质 高强度耐蚀结构材料，被广泛地应用于机械行业，医疗行业，航空航天行业等。作为飞机的 主要结构材料之一，钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，是影响 飞机战术性能的一个重要方面。用激光技术加工Ti6A14V钛合金表面，使Ti6A14V钛合金 表面形成抗霜冻的超疏水表面，非常具有应用前景。
[0004] 金属材料的浸润性是金属表面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分 共同影响着材料表面的浸润性。在金属材料上制备出超疏水的方法有很多，典型的方法 有：阳极氧化法、化学药水腐蚀法、电化学刻蚀+化学腐蚀法、激光刻蚀+化学腐蚀法。阳 极氧化法就是将多孔氧化铝凝胶浸入沸水当中，然后将升华的材料和铝石或者硅石混合， 为了有效地获得超疏水表面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率 并不高。而其他方法都离不开化学药水的浸泡，通过将样品泡置在化学试剂中，使其表面形 成凹坑状微结构。这些方法对环境的污染较大，操作工艺复杂。针对在Ti6A14V钛合金材 料上制备出超疏水表面，将使用一种无化学药水、无污染操作简单的激光加工法，在材料表 面形态高度一致的微结构上改善钛合金表面形貌，实现材料表面超疏水自清洁的要求，对 于提高效率、节能、保护环境等都具有重要意义。申请号为201310079939. 7的专利公开了 一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后在铝合金表面 进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入化学刻蚀溶液 中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的表面处理工艺， 采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含 有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处理工艺复杂，且使 用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。申请号为201410788477. O的专利申请公开 了一种钛合金表面超疏水微纳结构的制备方法，先对钛合金样品分别用丙酮和无水酒精进 行超声波清洗，得到表面干净的钛合金样品；然后对表面干净的钛合金样品表面进行飞秒 激光光刻加工，一步得到具有光栅型或井型或圆形盲孔型超疏水微纳结构表面的钛合金样 品。虽然利用飞秒激光器能加工出非常精确的微观结构表面，但是这种简单的方法也不能 掩盖飞秒激光器固有缺点，如价格及其昂贵、加工效率低、加工环境苛刻的缺陷。申请号为 200910183588. 8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方 法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两 次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工 艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。
[0005] 综上所述，开发出一种工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，且不产生任何 环境污染，一次性实现金属基材表面超疏水抗霜冻性能而无需经过任何化学工艺处理的方 法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备效率 高、绿色环保的钛合金超疏水表面制备方法。本发明的方法可在各种尺寸和不同形状的钛 合金材料表面获得长期稳定的、接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面，同时制 得的表面还具有出色的抗霜冻性能。
[0007] 本发明的目的具体是通过下述技术方案实现的：一种利用超短脉冲激光制备钛合 金超疏水抗霜冻表面的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008] 步骤一，将待处理的钛合金表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的钛合金样 品；
[0009] 步骤二，将步骤一所述表面抛光后的钛合金样品放在盛有去离子水的超声波清洗 仪中清洗，清洗干净后，将所述钛合金样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的钛 合金样品；
[0010] 步骤三，利用激光加工技术，采用超短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步 骤二所述得到的洁净钛合金样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微纳结 构；
[0011] 所述激光扫描米用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0. lmm/s-30m/s，激 光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；
[0012] 或所述激光扫描米用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为lm/s-800m/ s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设 定；
[0013] 或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台 运动的速度为0. lmm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设 定；
[0014] 步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的钛合金样品放入恒温恒 湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述钛合金超疏水抗霜冻表面；
[0015] 其中，步骤三所述的超短脉冲激光器波长小于1550nm，所述激光加工参数为：脉 宽大于l〇ps，单脉冲能量小于0. 08mJ。
[0016] 进一步地，上述技术方案中所述的钛合金优选为Ti6A14V钛合金。
[0017] 进一步地，上述技术方案中步骤三所述超短脉冲激光器的重复频率为 200kHz-lMHz，所述脉宽为 IOps-IOns。
[0018] 进一步优选地，所述超短脉冲激光器的波长为1064nm，所述超短脉冲激光器的脉 宽为 80ps_10ns。
[0019] 进一步优选地，所述脉宽为80ps，所述单脉冲能量为7. 5 μ J-8. 5 μ J，所述激光扫 描速度为 200mm/s-600mm/s。
[0020] 进一步优选地，所述脉宽为l〇ns，所述单脉冲能量为0. 06mJ-0. 07mJ，所述激光扫 描速度为 1500mm/s-2000mm/s。
[0021] 再进一步优选地，所述超短脉冲激光器的重复频率为200kHz，所述单脉冲能量为 8. 5 μ J，所述激光扫描速度为400mm/s。