CN110253018A - 一种金属表面多级微结构的成形方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面微结构制备的技术领域，并公开了一种金属表面多级微结构的成形方法及产品。待成形微结构设置基板上,为单层或者多层结构，每层微结构中设置有规则且有序分布的宽度小于等于200μm的条状微单元；待成形微结构的成形方法包括：(a)将基板进行表面处理；按照待成形微结构的层数划分切片层，设定切片层的铺粉厚度，规划切片层的成形路径，(b)以基板作为成形平面，从下自上逐层采用激光选区熔化成形切片层，以此在基板上获得所需的微结构。通过本发明，实现大面积金属表面规则有序多级微结构快速、高精度制备，适用于钛合金、铝合金、不锈钢、镍基合金等多种常见金属材料，且工艺简单。

Description

一种金属表面多级微结构的成形方法及产品

技术领域

本发明属于表面微结构制备的技术领域，更具体地，涉及一种金属表面多级微结构的成形方法及产品。

背景技术

表面微结构制备技术在改变材料表面特性方面可起到重要作用，通过在材料表面制备微结构，可赋予材料特殊功能，实现表面功能改性，改善材料原有性能，因此在各个领域均有巨大应用价值。表面微结构制备从提出到现在，已经历了数十载，现已涉及医药、生物、传感器、建筑、航天航空等多个领域，在生活及工业中为人类解决各种各样的问题。

目前金属表面微结构制备方法可分为物理和化学两种，物理方法主要包括简单的机械加工、模板法、静电纺丝法、3D打印法、激光加工、光刻法等。化学方法主要有电化学沉积法、水热合成法、表面化学刻蚀等方法。然而上述大多数表面微结构制备方法存在以下问题：(1)对成形材料有选择性，材料适应性差；(2)所制备微结构为无序或不规则结构，微结构形貌难以有效调控；(3)制备过程经历多道工序，制备效率低；(4)所制备微结构受材料环境温度、湿度、表面材料组分等多方面因素影响，可重复性差；此外，上述方法还存在难以面积加工、制备成本昂贵、对环境危害大等问题，更为重要的是，大多数方法所制备的微结构基体表面附着强度小，本身机械强度低，在复杂恶劣环境影响中(如微接触、摩擦、冲击等)极易被破坏，实际应用效果性差，导致上述微结构制备方法应用范围受到极大限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属表面多级微结构的成形方法及产品，通过采用激光选区熔化成形微结构，实现大面积金属表面规则有序多级微结构快速、高精度制备，适用于钛合金、铝合金、不锈钢、镍基合金等多种常见金属材料，且工艺简单。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种金属表面多级微结构的成形方法，所述待成形微结构设置在基板上,为单层或者多层结构，一层为一级微结构，每层的层厚小于等于200μm，每层微结构中设置有规则且有序分布的条状微单元，该条状微单元的宽度小于等于200μm；

所述待成形微结构的成形方法包括下列步骤：

(a)将所述基板进行表面处理增大其表面粗糙度；按照所述待成形微结构的层数将其分为一个或多个切片层，并根据每层微结构的层厚设定切片层的铺粉厚度，规划每个所述切片层的成形路径，

(b)以所述基板作为成形平面，从下自上逐层采用激光选区熔化成形所述切片层，以此在所述基板上获得所需的微结构。

进一步优选地，所述每层微结构中设置有规则且有序分布的条状微单元，其中规则且有序地分布优选为所述条状微单元呈阵列网格、阵列横条、阵列圆环、阵列半球凸起、圆圈、漩涡或波浪分布。

进一步优选地，所述待成形微结构在激光选区熔化成形时的原材料为单质金属或合金。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述表面处理优选采用粗抛表面处理。

进一步优选地，所述基板优选采用金属基板。

进一步优选地，在步骤(b)中，15μm～60μm。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述激光选区熔化成形优选采用光纤激光器、YAG激光器或CO₂激光器。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述激光选区熔化成形的激光功率为180W～350W，扫描速度为400mm/s～1600mm/s。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的成形方法获得的微结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的成形方法成形的微结构适用于钛合金、铝合金、不锈钢、镍基合金等多种常见金属表面微结构制备，通过简单操作，可根据需要在较大面积金属表面快速制备出具有不同形貌的有序、规则分级微结构，具有简单、快捷、重复性好等特点；

2、本发明采用激光选区熔化成形微结构，与现有的化学腐蚀，激光刻蚀等现有的成形方法相比，其制备的微结构形貌规则有序，可根据所需的微结构任意调控；

3、本发明提供的制备微结构的方法，与现有的成形方法相比，其包括的工序少，制备过程简单，制备效率高；该方法制备微结构是基于金属粉末材料超快速熔融与凝固，因此微结构与基体表面附着强度极大，且本身机械强度较高；

4、本发明所制备微结构与基体表面附着强度大，且自身机械强度较高，避免微结构在实际应用中被轻易破坏，适用于航空航天、汽车、船舶、机械密封、生物医疗等领域。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的阵列横条微结构结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的阵列横条微结构光学显微镜图，图中(a)是放大50倍的光学显微镜图，图中(b)是放大100倍的光学显微镜图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的阵列分级网格微结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的阵列分级网格微结构光学显微镜图，图中(a)是放大50倍的光学显微镜图，图中(b)是放大100倍的光学显微镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

待成形微结构设置在基板上,为单层或者多层结构，一层为一级微结构，每层的层厚小于等于200μm，每层微结构中设置有规则且有序分布的条状微单元，该条状微单元的宽度小于等于200μm。

一种金属表面有序多级微结构的方法，包括如下步骤：

步骤1：对金属基板表面进行粗抛处理；

步骤2：根据拟制备微结构整体形貌及高度，在计算机中通过路径规划软件规划激光选区熔化成形时激光器扫描路径及分层层厚；

步骤3：将金属基板固定于成形腔体内基台上，并以金属基板表面为Z轴0点进行调平；

步骤4：在基板周围填满微结构金属材料粉末；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入微结构金属材料粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统；

步骤6：建立加工任务，根据待处理金属激光选区熔化常规成形参数设定连续激光功率、扫描速度，根据分层厚度设定铺粉厚度；

步骤7：成形过程中铺粉装置首先在粉床上均匀铺置一层设定层厚的的金属材料粉末，随后连续激光束根据计算机规划好的扫描路径数据，按先前设定的激光参数对已铺置粉层进行扫描。

步骤8：每层扫描完毕后，成形缸下降一个粉层高度，铺粉缸则上升一个分层厚度，重复步骤7，直至加工任务完成，从而在金属表面得到有序、规则的多级微结构。

进一步地，激光器可以是光纤激光器、YAG激光器或CO₂激光器。

进一步地，微结构可以是单质金属(铁、铝、铜等)以及合金(不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金等)，材料适应性广。

进一步地，分层层数可以是一层或多层，根据成形微结构高度及分层厚度综合考虑。

进一步地，通过规划扫描路径、可得任意规则、有序的微结构形貌，如阵列网格、阵列横条、阵列圆环、阵列半球凸起、圆圈、漩涡、波浪等。

进一步地，通过调节激光功率、频率、扫描速度，可改变局部微结构形貌，从而得不同形貌的微结构。

下面结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1

步骤1：通过抛光机将7075铝合金表面进行粗抛处理，增大粉末与表面的附着力，并在超声中清洗五分钟，随后取出，用空气枪吹干表面多余水份；

步骤2：如图1所示，是拟制备阵列横条微结构，在计算机中通过路径规划软件进行规划，设定激光扫描路径为平行条状扫描，扫描间距为150μm，分层厚度为50μm，打印层数为1层；

步骤3：将7075铝合金固定于双激光SLM设备成形腔体内基台上，并以铝合金表面为Z轴0点进行调平，使得基板作为成形平面；

步骤4：在铝合金周围填满7075铝合金球形粉末，粉末粒径在15μm～60μm；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入上述7075铝合金球形粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统，成形腔内保持常规大气压；

步骤6：建立加工任务，设定基板预热温度保持常温，设定连续激光光斑直径为100μm，对于阵列横条微结构，设定激光功率为250W，扫描速度600mm/s，铺粉层厚为50μm；

步骤7：加工任务完成后，从成形腔中取出铝合金表面，清除表面多余粉末，并用蒸馏水冲洗干净，用空气枪吹干表面多余水份，从而得到阵列横条微结构，获得如图2所示，图中(a)中可以看出，微结构是阵列横条微结构，(b)中可以看出是条状微单元宽度为100μm。

实施例2

步骤1：通过抛光机将7075铝合金表面进行粗抛处理，增大粉末与表面的附着力，并在超声中清洗五分钟，随后取出，用空气枪吹干表面多余水份；

步骤2：如图3所示，图3中是拟制备阵列分级网格微结构，在计算机中通过路径规划软件进行规划，对于阵列分级网格微结构，设定激光扫描路径为平行条状扫描，扫描间距为150μm，分层厚度为30μm，打印层数为2层，层间旋转角度为90°；

步骤3：将7075铝合金固定于双激光SLM设备成形腔体内基台上，并以铝合金表面为Z轴0点进行调平；

步骤4：在铝合金周围填满7075铝合金球形粉末，粉末粒径在15μm～45μm；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入上述7075铝合金球形粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统，成形腔内保持常规大气压；

步骤6：建立加工任务，设定基板预热温度保持常温，设定连续激光光斑直径为100μm，对于阵列分级网格微结构，设定连续激光功率为200W，扫描速度600mm/s，铺粉层厚为30μm；

步骤7：加工任务完成后，从成形腔中取出铝合金表面，清除表面多余粉末，并用蒸馏水冲洗干净，用空气枪吹干表面多余水份，从而得到阵列横条微结构及阵列分级网格微结构，如图4所示，从图(a)中可以看出，是放大50倍的后的阵列分级网格微结构，图(b)中可以看出微结构中的条状微单元的宽度为200微米。

实施例3

步骤1：通过抛光机将不锈钢表面进行粗抛处理，增大粉末与表面的附着力，并在超声中清洗五分钟，随后取出，用空气枪吹干表面多余水份；

步骤2：拟制备阵列分级网格微结构，在计算机中通过路径规划软件进行规划，设定激光扫描路径为平行条状扫描，扫描间距为100μm，分层厚度为80μm，打印层数为2层，层间旋转角度为120°；

步骤3：将不锈钢固定于双激光SLM设备成形腔体内基台上，并以不锈钢表面为Z轴0点进行调平；

步骤4：在不锈钢周围填满Ti6Al4V粉末，粉末粒径在15μm～60μm；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入上述Ti6Al4V粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统，成形腔内保持常规大气压；

步骤6：建立加工任务，设定基板预热温度保持常温，设定连续激光光斑直径为80μm，对于阵列分级网格微结构，设定连续激光功率为280W，扫描速度1600mm/s，铺粉层厚为80μm；

步骤7：加工任务完成后，从成形腔中取出不锈钢表面，清除表面多余粉末，并用蒸馏水冲洗干净，用空气枪吹干表面多余水份，从而得到阵列分级网格微结构。

实施例4

步骤1：通过抛光机将铜合金表面进行粗抛处理，增大粉末与表面的附着力，并在超声中清洗五分钟，随后取出，用空气枪吹干表面多余水份；

步骤2：拟制备阵列分级网格微结构，在计算机中通过路径规划软件进行规划，设定激光扫描路径为平行条状扫描，扫描间距为200μm，分层厚度为100μm，打印层数为2层，层间旋转角度为90°；

步骤3：将铜合金固定于双激光SLM设备成形腔体内基台上，并以铜合金表面为Z轴0点进行调平；

步骤4：在铜合金周围填满铜合金球形粉末，粉末粒径在15μm～60μm；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入上述铜合金球形粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统，成形腔内保持常规大气压；

步骤6：建立加工任务，设定基板预热温度保持常温，设定连续激光光斑直径为100μm，对于阵列分级网格微结构，设定连续激光功率为350W，扫描速度400mm/s，铺粉层厚为90μm；

步骤7：加工任务完成后，从成形腔中取出铜合金表面，清除表面多余粉末，并用蒸馏水冲洗干净，用空气枪吹干表面多余水份，从而得到阵列分级网格微结构。

实施例5

步骤1：通过抛光机将铝材表面进行粗抛处理，增大粉末与表面的附着力，并在超声中清洗五分钟，随后取出，用空气枪吹干表面多余水份；

步骤2：拟制备阵列横条微结构，在计算机中通过路径规划软件进行规划，，设定激光扫描路径为平行条状扫描，扫描间距为80μm，分层厚度为50μm，打印层数为1层；

步骤3：将铝材固定于双激光SLM设备成形腔体内基台上，并以铝材表面为Z轴0点进行调平；

步骤4：在铝材周围填满2024铝合金球形粉末，粉末粒径在15μm～60μm；

步骤5：在激光选区熔化设备粉料缸中倒入上述铝合金球形粉末，密封腔体同时开启循环除气净化系统，成形腔内保持常规大气压；

步骤6：建立加工任务，设定基板预热温度保持常温，设定连续激光光斑直径为50μm，对于阵列分级网格微结构，设定连续激光功率为180W，扫描速度1000mm/s，铺粉层厚为50μm；

步骤7：加工任务完成后，从成形腔中取出铝材，清除表面多余粉末，并用蒸馏水冲洗干净，用空气枪吹干表面多余水份，从而得到阵列横条微结构。

综上，本发明基于粉末材料分层熔融原理，通过激光选区熔化技术制备金属表面微结构，通过调整激光扫描路径、扫描间距、激光功率、扫描速度、分层方式等参数可得到不同表面形貌的微结构图案，本发明方法克服现有微结制备方法存在的材料适应性差、微结构形貌难以有效调控、制备效率低、可重复性差、微结构与基体附着强度小，本身机械强度低等诸多问题，实现多种材料金属表面规则、有序分级微结构快速、大面积制备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，

所述待成形微结构设置在基板上,为单层或者多层结构，一层为一级微结构，每层的层厚小于等于200μm，每层微结构中设置有规则且有序分布的条状微单元，该条状微单元的宽度小于等于200μm；

所述待成形微结构的成形方法包括下列步骤：

(a)将所述基板进行表面处理增大其表面粗糙度；按照所述待成形微结构的层数将其分为一个或多个切片层，并根据每层微结构的层厚设定切片层的铺粉厚度，规划每个所述切片层的成形路径，

(b)以所述基板作为成形平面，从下自上逐层采用激光选区熔化成形所述切片层，以此在所述基板上获得所需的微结构。

2.如权利要求1所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，所述每层微结构中设置有规则且有序分布的条状微单元，其中规则且有序地分布优选为所述条状微单元呈阵列网格、阵列横条、阵列圆环、阵列半球凸起、圆圈、漩涡或波浪分布。

3.如权利要求1或2所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，所述待成形微结构在激光选区熔化成形时的原材料为单质金属或合金。

4.如权利要求1或2所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述表面处理优选采用粗抛表面处理。

5.如权利要求1或2所述的一种激光选区熔化制备金属表面多级微结构的方法，其特征在于，所述基板优选采用金属基板。

6.如权利要求1或2所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述激光选区熔化成形中的金属粉末粒径优选为15μm～60μm。

7.如权利要求1或2所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述激光选区熔化成形优选采用光纤激光器、YAG激光器或CO₂激光器。

8.如权利要求1或2所述的一种金属表面多级微结构的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述激光选区熔化成形的激光功率为180W～350W，扫描速度为400mm/s～1600mm/s。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的成形方法获得的微结构。