[發明專利]納秒激光輻照制備鈦合金表面周期性微結構的方法

有效

• 申請號: 202110429325.1
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113118633B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 黃虎;王超;洪婧;崔明明;錢永峰
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24;B23K26/352;B23K26/60;B23K26/70
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發明涉及一種納秒激光輻照制備鈦合金表面周期性微結構的方法，屬于激光表面改性領域。該方法為：先對鈦合金表面進行預處理，將預處理后的鈦合金樣品放置于氣體腔中，通過進氣口輸送氮氣，使氮氣充滿氣體腔，氮氣流量為1?20L/min；經過10?15s的預送氣后，打開納秒光纖激光器，將聚焦后的激光束經過二氧化硅玻璃垂直照射于鈦合金樣品表面；通過控制激光參數，在鈦合金表面制備周期性微結構，同時起到激光氮化的作用。本發明不僅可以改善鈦合金表面的濕潤性能，并且可以實現表面顏色的調控，此外由于激光氮化的作用，激光輻照后鈦合金表面的硬度和耐磨性得到提高。本發明提供的表面微結構制備方法簡單，重復性好，且制備的結構具有優異的耐久性。

技術領域

本發明涉及金屬表面改性技術領域，特別涉及一種納秒激光輻照制備鈦合金表面周期性微結構的方法。

背景技術

鈦合金具有出色的機械、物理和化學特性，例如高的比強度、低密度、良好的高溫保持性以及優異的耐腐蝕性和生物相容性等特點，被廣泛應用于國防、航空航天、生物醫學和其它領域等。但是其本身固有的一些缺點，如高摩擦系數、低硬度和耐磨性等，在一定程度上限制了工業應用范圍。

材料表面微結構的制備可以改善表面濕潤性、光學特性、生物兼容性以及摩擦磨損性能等，顯然在鈦合金表面制備微結構將會為其提供更大的發展空間和應用潛力。但是目前大部分表面微結構的耐久性極差，使用壽命很短，而且對于某些特殊方式制備的表面微結構，其容易受到光學、溫度等環境因素的影響，導致其容易遭受破壞(李曉,盛麗萍,王宇軒.多功能和耐久性超疏水表面的研究進展.湖南師范大學自然科學學報,2020)。

因此，如何制備多功能且高耐久性的表面微結構具有重要意義。

氮化鈦具有高硬度，良好的化學穩定性以及優異的耐磨耐腐蝕性能，是一種常見的涂層材料，被用于作刀具涂層，來提高刀具的硬度以及耐磨性。針對鈦合金較差的耐磨性等，可以嘗試以氮化的方式在其表面制備一層氮化鈦(秦曉陽,黃婷,肖榮詩.Ti表面微結構的制備及應用研究進展.電加工與模具，2019,(4):1-9)。

激光加工作為一種高精度、靈活、無污染的方式，適用于大多數材料，并且在微納米結構的制備方面嶄露頭角。激光器種類繁多，而納秒激光器作為一種成本較低，又可以同時兼顧加工效率和加工質量，目前成功被工業化應用的激光器。對于納秒激光與材料相互作用，熱效應是不可避免的，這就導致了不可控的熔體局部流動以及蒸發現象，很難在材料表面制備比較規則的周期性結構。因此，對于開發一種簡單高效且具有耐久性表面周期性微結構的方法是十分有必要的。

發明內容

為解決以上技術問題，本發明提出了一種納秒激光輻照制備鈦合金表面周期性微結構的方法，其不僅可以改善鈦合金表面的濕潤性能，同樣能起到顏色調控的作用，此外由于激光氮化的作用，此表面展現出較高的表面硬度以及較好的摩擦磨損性能，此制備方法簡單，具有較好的重復性且制備的結構具有優異的耐久性。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種納秒激光輻照制備鈦合金表面周期性微結構的方法：先對鈦合金表面進行預處理，將預處理后的鈦合金樣品放置于氣體腔中，通過進氣口輸送氮氣，使氮氣充滿氣體腔，氮氣流量為1-20L/min；經過10-15s的預送氣后，打開納秒光纖激光器，將聚焦后激光束經過二氧化硅玻璃垂直照射在鈦合金樣品表面，通過控制激光參數，在鈦合金表面制備周期性表面微結構，并同時起到激光氮化的作用。

所述的鈦合金的預處理方式為：將線切割后的鈦合金樣品進行機械研磨、拋光處理，放入無水乙醇中進行超聲清洗，干燥。

所述的機械研磨使用200#，400#，800#，1200#，1500#，2000#的砂紙依次進行，然后使用W5，W3，W1的金剛石研磨膏進行機械拋光，超聲清洗的清洗溫度為50-60℃，清洗時間為5-10min，在空氣中自然干燥。

所述的制備周期性表面微結構的激光器為納秒光纖激光器。