CN111979557A - 一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法 - Google Patents

一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111979557A
CN111979557A CN202010860549.3A CN202010860549A CN111979557A CN 111979557 A CN111979557 A CN 111979557A CN 202010860549 A CN202010860549 A CN 202010860549A CN 111979557 A CN111979557 A CN 111979557A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
nano structure
stainless steel
structure layer
cleaning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010860549.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111979557B (zh
Inventor
王思捷
刘鹏飞
杨军伟
郭杰
李静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Academy of Armored Forces of PLA
Original Assignee
Academy of Armored Forces of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Academy of Armored Forces of PLA filed Critical Academy of Armored Forces of PLA
Publication of CN111979557A publication Critical patent/CN111979557A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111979557B publication Critical patent/CN111979557B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00—Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Cleaning In General (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明提供了一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，属于表面激光清洗技术领域。本发明提供的利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，包括以下步骤：对不锈钢表面的油漆层表面进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面形成微纳米结构层；所述微纳米结构层的微纳结构的单体尺寸为50～5000nm；所述脉冲激光清洗的扫描速度为20～50cm/s。本发明提供的方法，能够高效、优质、无污染地实现激光清洗‑形成微纳米结构层一体化，工艺简单、成本低，可实现连续大规模作业，而且不会影响不锈钢的服役性能。

Description

一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法
技术领域
本发明涉及表面激光清洗技术领域，具体涉及一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法。
背景技术
微纳米结构是指尺寸在微米级、纳米级的表面结构，对传统结构材料进行表面微纳米结构化处理，使其具备特殊的表面性能，可拓展其作为新型功能材料的应用前景。目前，针对材料表面微纳米结构制备的方法主要有熔体快速凝固法、电化学沉积法和超音速火焰喷涂法。熔体快速凝固法是先将母合金熔配均匀，然后采用提纯和快冷的方式使合金液在短时间内急冷成形，得到表面具有一定规律性结构的材料。电沉积镀层方法，是在普通镀液中加入微米或纳米微粒，搅拌状态下使纳米粒子与金属共沉积而得到的镀层，称为微纳米复合镀层。超音速火焰喷涂法是将燃气和氧气分别输入燃烧，同时从喷管轴向圆心处由载气(如氮气或压缩空气)喷涂金属粉末，将粉末加热熔化和加速，通过喷管到达材料表面形成纳米涂层。然而，上述方法普遍存在工艺比较复杂、制备效率不高的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，本发明提供的方法具有高效、无污染且工艺简单的特点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，包括以下步骤：
对不锈钢表面的油漆层表面进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面形成微纳米结构层；
所述微纳米结构的单体尺寸为50～5000nm；
所述脉冲激光清洗的扫描速度为20～50cm/s。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
优选的，所述微纳米结构层的厚度为5～50μm。
优选的，所述脉冲激光清洗的工作参数包括：激光波长为193～10600nm，重复频率为0.5～30kHz，脉冲宽度为1～50ns，输出功率为20～30W，扫描搭接率为3～5％，采用S型扫描路径。
优选的，所述脉冲激光清洗的方法为脉冲激光直接辐射法。
优选的，所述激光波长为1064nm。
优选的，所述脉冲激光清洗利用的激光器为光纤激光器。
优选的，所述脉冲激光清洗的光斑的形状为圆形；所述光斑的直径为0.3～0.9mm。
优选的，所述油漆层的厚度为20～50μm。
本发明提供了一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，包括以下步骤：对不锈钢表面的油漆层表面进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面形成微纳米结构层；所述微纳米结构层的微纳结构的单体尺寸为50～5000nm。本发明提供的方法，能够高效、优质、无污染地实现激光清洗-形成微纳米结构层一体化，不引入消耗性物资，对基体损伤小，工艺简单、成本低，可实现连续大规模作业，而且不会影响不锈钢的服役性能；而且，由于激光的冲击效应与热效应，在脉冲激光清洗后的不锈钢表面形成一层微纳米结构，这会导致表面晶格缺陷增加，阻碍位错运动，提高脉冲激光清洗后不锈钢表面抵抗外力变形的作用，能够用于制备超高光吸收、超疏水、防蚀、防菌、低流阻等材料表面，在传感器、太阳能吸收器、涡轮叶片、机翼、雷达通讯等领域有重要应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的微纳米结构层的二维形貌图；
图2为实施例1制备的微纳米结构层的三维形貌图；
图3为实施例2制备的微纳米结构层的二维形貌图；
图4为实施例2制备的微纳米结构层的三维形貌图；
图5为实施例3制备的微纳米结构层的二维形貌图；
图6为实施例3制备的微纳米结构层的三维形貌图；
图7为对比例1制备的微纳米结构层的二维形貌图；
图8为对比例1制备的微纳米结构层的三维形貌图；
图9为实施例4制备的微纳米结构层放大5000倍的SEM图；
图10为实施例4制备的微纳米结构层放大100000倍的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，包括以下步骤：
对不锈钢表面的油漆层表面进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面形成微纳米结构层；
所述微纳米结构层的微纳结构的单体尺寸为50～5000nm；
所述脉冲激光清洗的扫描速度为20～50cm/s。
在本发明中，所述不锈钢优选为304不锈钢或45不锈钢。
在本发明中，所述油漆层的厚度优选为20～50μm，更优选为25～40μm，最优选为30～35μm。本发明对于所述油漆层的油漆种类没有特殊限定，任意种类的油漆均可，具体如TB06-9(武汉富莱德化工有限责任公司)。
在本发明中，所述扫描速度为20～50cm/s，优选为25～45cm/s，更优选为30～40cm/s。在本发明中，所述扫描速度过快导致基体表面污染物无法去除干净，激光与基体表面不能够直接接触，产生的冲击效应与热效应不够强烈不能产生微纳米结构，所述扫描速度过慢导致激光与基体表面作用时间过长，烧蚀现象严重，表面微纳米结构被破坏。
在本发明中，所述脉冲激光清洗的方法优选为脉冲激光直接辐射法。在本发明中，所述脉冲激光清洗的工作参数包括：激光波长优选为193～10600nm，更优选为1064nm；重复频率优选为0.5～30kHz，更优选为5～25kHz，最优选为10～20kHz；脉冲宽度优选为1～50ns，更优选为10～40ns，最优选为20～30ns；输出功率优选为20～30W，更优选为22～28W，最优选为25～26W；光斑形状优选为圆形，所述光斑的直径优选为0.3～0.9mm，更优选为0.4～0.8mm，最优选为0.5～0.6mm；扫描搭接率优选为3～5％，更优选为3.5～4.5％，最优选为4％；优选采用S型扫描路径。
在本发明中，所述脉冲激光清洗采用的激光器优选为光纤激光器。
在本发明中，所述微纳米结构层的厚度优选为5～50μm，更优选为10～40μm，最优选为15～35μm。在本发明中，所述微纳米结构层的微纳结构的单体尺寸为50～5000nm，优选为50～2000nm，更优选为500～1000nm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用脉冲激光直接辐射法对304不锈钢表面的油漆层(油漆种类是TB06-9，厚度为40μm)的304不锈钢表面进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面得到微纳米结构层；
其中，脉冲激光直接辐射法的工作参数为：采用光纤激光器，激光波长为1064nm，重复频率为10kHz，脉冲宽度为50ns，输出功率为30W，扫描速度为30cm/s，采用直径为0.3mm的圆形光斑，扫描搭接率为4％，采用S型扫描路径；
得到的微纳米结构层的单体尺寸为500nm，微纳米层厚度为9.5μm。
实施例2
按照实施例1的方法制备微纳米结构层，与实施例1的不同之处在于扫描速度为40cm/s，得到的微纳米结构层的单体尺寸为3000nm。
实施例3
按照实施例1的方法制备微纳米结构层，与实施例1的不同之处在于扫描速度为50cm/s，得到的微纳米结构层的单体尺寸为800nm。
对比例1
按照实施例1的方法制备微纳米结构层，与实施例1的不同之处在于扫描速度为55cm/s，得到的微纳米结构层的单体尺寸为300nm。
实施例1制备的微纳米结构层的二维形貌图如图1所示，三维形貌图如图5所示；实施例2制备的微纳米结构层的二维形貌图如图2所示，三维形貌图如图6所示；实施例3制备的微纳米结构层的二维形貌图如图3所示，三维形貌图如图7所示；对比例1制备的微纳米结构层的二维形貌图如图4所示，三维形貌图如图8所示。由图1～8可知，当扫描速度为30cm/s时，图1中看到激光光斑沿横向扫过的区域出现鱼鳞状微结构熔融坑，光斑搭接处颜色变暗，在图2中看到清洗区域呈深色凹陷状态，光斑交叠处较高，微纳米结构层的厚度最大为21.3μm。当扫描速度为40cm/s时，扫描速度加快光斑痕迹显现，图3中能明显看到每个激光光斑的痕迹，由于激光搭接率的关系，可以看到光斑之间有一部分相互搭接在一起，最大高度达到14.2μm，在图4中看到微结构搭接区域凹陷处与边缘凸起处对比明显，微纳米结构层的厚度最大提高至8.4μm。当扫描速度为50cm/s时，从图5能明显看到光斑搭接区域面积减小，清洗光斑痕迹变大，在图6中可得到烧蚀基体间高度差最大为21.3μm，说明表面平整性并非随着激光加工程度的增加而增加。当扫描速度为55cm/s时，由于扫描速度过快，由图7～8中可以看到光斑之间的整齐性也随之破坏，光斑凹陷程度明显也降低。
实施例4
采用脉冲激光直接辐射法对45不锈钢表面的油漆层(油漆种类是TS70-1，厚度为40μm)进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面得到微纳米结构层；
其中，脉冲激光直接辐射法的工作参数为：采用光纤激光器，激光波长为1064nm，重复频率为30kHz，脉冲宽度为50ns，输出功率为21W，扫描速度为40cm/s，采用直径为0.6mm的圆形光斑，扫描搭接率为4％，采用S型扫描路径；
得到的微纳米结构层的单体尺寸为50nm。
实施例4制备的微纳米结构层不同放大倍数下的SEM图如图9～10所示，其中，图9为放大5000倍，图10为放大100000倍。由图9～10可知，脉冲激光清洗后表面产生微纳米结构，微纳米结构单体的尺寸为50nm～2μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法，包括以下步骤：
对不锈钢表面的油漆层进行脉冲激光清洗，在不锈钢表面形成微纳米结构层；
所述微纳米结构层的微纳结构的单体尺寸为50～5000nm；
所述脉冲激光清洗的扫描速度为20～50cm/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微纳米结构层的厚度为5～50μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光清洗的工作参数包括：激光波长为193～10600nm，重复频率为0.5～30kHz，脉冲宽度为1～50ns，输出功率为20～30W，扫描搭接率为3～5％，采用S型扫描路径。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光清洗的方法为脉冲激光直接辐射法。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述激光波长为1064nm。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光清洗利用的激光器为光纤激光器。
7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光清洗的光斑的形状为圆形；所述光斑的直径为0.3～0.9mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油漆层的厚度为20～50μm。
CN202010860549.3A 2020-08-05 2020-08-24 一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法 Active CN111979557B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2020107809582 2020-08-05
CN202010780958 2020-08-05

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111979557A true CN111979557A (zh) 2020-11-24
CN111979557B CN111979557B (zh) 2022-09-13

Family

ID=73443291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010860549.3A Active CN111979557B (zh) 2020-08-05 2020-08-24 一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111979557B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113059324A (zh) * 2021-03-29 2021-07-02 苏州星波激光科技有限公司 铝合金飞秒激光清洗-超疏水微纳表面一步法制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104907702A (zh) * 2015-05-28 2015-09-16 湖北工业大学 一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法
CN105619041A (zh) * 2016-02-29 2016-06-01 南京航空航天大学 一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法
CN106702411A (zh) * 2016-12-16 2017-05-24 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种利用脉冲激光清洁金属表面积碳的方法
CN108515269A (zh) * 2018-04-03 2018-09-11 北京航空航天大学 一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法
CN109128512A (zh) * 2018-11-01 2019-01-04 陕西科技大学 一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法
US20190015898A1 (en) * 2016-11-24 2019-01-17 Dalian University Of Technology Micro-nano composite powder dedicated for laser repair of tiny cracks in stainless steel surface
CN110653493A (zh) * 2019-10-31 2020-01-07 山东大学 一种不锈钢表面超疏水微纳结构的纳秒激光烧蚀与化学热分解复合制备方法
CN111229719A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 西安交通大学 激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法
CN111254433A (zh) * 2020-03-09 2020-06-09 山东大学 一种不锈钢表面的微结构-纳米氧化铜协同抗菌表面及其激光-化学复合制备方法、应用

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104907702A (zh) * 2015-05-28 2015-09-16 湖北工业大学 一种利用短脉冲激光制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法
CN105619041A (zh) * 2016-02-29 2016-06-01 南京航空航天大学 一种具有微纳复合结构表面的疏油刀具的制备方法
US20190015898A1 (en) * 2016-11-24 2019-01-17 Dalian University Of Technology Micro-nano composite powder dedicated for laser repair of tiny cracks in stainless steel surface
CN106702411A (zh) * 2016-12-16 2017-05-24 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种利用脉冲激光清洁金属表面积碳的方法
CN108515269A (zh) * 2018-04-03 2018-09-11 北京航空航天大学 一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法
CN109128512A (zh) * 2018-11-01 2019-01-04 陕西科技大学 一种在不锈钢表面制备的微纳米自组织结构及制备方法
CN110653493A (zh) * 2019-10-31 2020-01-07 山东大学 一种不锈钢表面超疏水微纳结构的纳秒激光烧蚀与化学热分解复合制备方法
CN111229719A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 西安交通大学 激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法
CN111254433A (zh) * 2020-03-09 2020-06-09 山东大学 一种不锈钢表面的微结构-纳米氧化铜协同抗菌表面及其激光-化学复合制备方法、应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAO, CZ，ETAL: "The formation of periodic micro/nano structured on stainless steel by femtosecond laser irradiation", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113059324A (zh) * 2021-03-29 2021-07-02 苏州星波激光科技有限公司 铝合金飞秒激光清洗-超疏水微纳表面一步法制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111979557B (zh) 2022-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schopphoven et al. EHLA: Extreme High‐Speed Laser Material Deposition: Economical and effective protection against corrosion and wear
WO2021128979A1 (zh) 一种激光复合冷喷涂高速沉积方法及冷喷涂设备
CN102383126B (zh) 一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法
Lamraoui et al. Laser surface texturing (LST) treatment before thermal spraying: A new process to improve the substrate-coating adherence
CN111621778B (zh) 一种制备海洋风电塔筒防腐涂层的方法
CN106702411B (zh) 一种利用脉冲激光清洁金属表面积碳的方法
CN106757010B (zh) 一种光纤激光熔覆镍基镍包碳化钨熔覆涂层的制备方法
CN109954966A (zh) 通过飞秒激光进行金属表面处理的方法
CN105935837A (zh) 一种提高耐候钢表面粘附力的激光毛化方法
CN106583930A (zh) 基于飞秒激光直写钛片实现湿润性可逆转化的方法
CN111979557B (zh) 一种利用脉冲激光清洗不锈钢表面形成微纳米结构层的方法
CN103627883A (zh) 一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法
CN102861990A (zh) 一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法
CN111793795A (zh) 一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法
CN109702342A (zh) 铝合金激光焊接方法
Kumar et al. Significance of continuous wave and pulsed wave laser in direct metal deposition
CN113857597B (zh) 基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法
CN112007919B (zh) 一种不锈钢表面脉冲激光清洗形成非晶纳米晶改性层的方法
Zhou et al. Microstructures and characterization of zirconia-yttria coatings formed in laser and hybrid spray process
CN102896431B (zh) 一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法
Li et al. Role of the laser surface preparation on the adhesion of Ni− 5% Al coatings deposited using the PROTAL process
CN108034941B (zh) 适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法
CN111850617B (zh) 一种金属3d打印方法及打印机
CN112044872B (zh) 一种激光清洗后基体表面熔融层厚度的调控方法
Vuoristo et al. High-performance laser coatings for manufacturing and maintenance of industrial components and equipment

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant