CN114406475A - 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 - Google Patents
一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114406475A CN114406475A CN202111455045.4A CN202111455045A CN114406475A CN 114406475 A CN114406475 A CN 114406475A CN 202111455045 A CN202111455045 A CN 202111455045A CN 114406475 A CN114406475 A CN 114406475A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminum alloy
- laser
- shot blasting
- super
- preparing
- 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
Links
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 78
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000005422 blasting Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 21
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229940089951 perfluorooctyl triethoxysilane Drugs 0.000 claims abstract description 6
- AVYKQOAMZCAHRG-UHFFFAOYSA-N triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCC(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F AVYKQOAMZCAHRG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 5
- 230000035939 shock Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 4
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 2
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 230000033444 hydroxylation Effects 0.000 description 1
- 238000005805 hydroxylation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
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
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C22/02—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using non-aqueous solutions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/356—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by shock processing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
- C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C21/00—Alloys based on aluminium
-
- 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
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles
- B23K2101/35—Surface treated articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
- B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
-
- 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
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C2222/00—Aspects relating to chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive medium
- C23C2222/20—Use of solutions containing silanes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明提供了一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，包括如下步骤：以铝合金材料表面作为吸收层，在铝合金材料表面涂覆含有有机成分的约束层，所述含有有机成分的约束层为5ml～10ml的全氟辛基三乙氧基硅烷、100ml～200ml无水乙醇和30ml～50ml蒸馏水的混合有机溶液；对铝合金工件表面进行激光喷丸，铝合金工件表面形成超疏水表面。本发明利用高能短脉冲激光辐照铝合金材料表面产生的热力效应，耦合制备具有多孔微纳结构的超疏水表面，同时由于激光喷丸产生的GPa量级冲击波使材料的组织晶粒得到细化，力学性能显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工与材料科学领域，具体涉及一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法。
背景技术
航空铝合金是制备航空飞机蒙皮、骨架、翼肋等关键零部件的重要材料，在航空铝合金材料表面制备超疏水表面，可以有效减缓飞机在高空飞行时由于气温较低而产生表面结冰，还可以使飞机表面具有自清洁功能。
当前，制备超疏水表面的方法有很多，常见的制备方法有:化学刻蚀、电化学沉积、水热法、气相沉积等，这些方法存在自身的局限性，如制备的微纳结构机械稳定性差、工艺复杂、大规模制备困难等，难以在受力复杂的航空领域上应用。
激光加工作为一种制备超疏水表面的方法，具有环保、高效、稳定等特点，可以直接在金属表面制备特定的微纳米结构，进行材料超疏水表面的制备，近年来受到广泛关注。例如现有技术提出了一种金属超疏水表面制备的方法，通过设定激光器的参数及加工路径对抛光好的金属表面进行烧蚀，制备出了超疏水表面所需的微米级平行槽结构，随后采用酸溶液超声处理及羟基化处理得到疏水角高达170°的超疏水表面；又如现有技术提出了一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面的制备方法，其采用激光烧蚀技术对表面贴有聚酰亚胺胶带的金属表面进行了烧蚀，得到具有碳化聚酰亚胺碳化颗粒沉积的微槽结构，一步实现了金属表面超疏水织构的制备。由于激光烧蚀过程具有极热瞬冷的特点，使得激光烧蚀制备的微/纳结构具有一定的脆硬性，同时重熔层表面及内部会产生拉应力，机械强度低，稳定性差，使航空铝合金基体材料的力学性能降低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，对传统的激光喷丸工艺进行改进，将激光喷丸的吸收层改为材料的表面，使激光直接辐照在材料表面上。将传统流水约束层中的清水调整为有机溶剂，可以通过调整激光喷丸参数和有机溶液成分组成，对制备的超疏水表面形貌及成分进行调控。同时激光喷丸产生GPa量级的冲击波使材料的近表层晶粒得到有效细化，材料内部引入高幅残余压应力，材料力学性能得到提高，因此，采用本发明提出的制备方法可以同步实现超疏水表面制备与材料强化。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，包括如下步骤：以铝合金材料表面作为吸收层，在铝合金材料表面涂覆含有有机成分的约束层，所述含有有机成分的约束层为5ml～10ml的全氟辛基三乙氧基硅烷、100ml～200ml无水乙醇和30ml～50ml蒸馏水的混合有机溶液；对铝合金工件表面进行激光喷丸，铝合金工件表面形成超疏水表面。
进一步，还包括如下步骤：对激光喷丸加工后的铝合金工件表面进行恒温干燥处理，用于提高表面材料与低自由能官能团的键合。
进一步，加工后的铝合金工件表面在80～100℃的环境中保温10～20min。
进一步，所述激光喷丸的光斑大小为0.5mm～2mm，激光喷丸的冲击方式采用多点搭接大面积冲击，激光喷丸的搭接率为30％～80％。
进一步，所述激光抛丸的激光束波长为1064nm，脉冲宽度8ns，重复频率1Hz～10Hz，单次脉冲能量2J，呈高斯分布。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，激光喷丸产生的热效应可使材料表面发生气化液化等复杂的物理化学反应，激光喷丸的力效应结合热效应使得材料表面产生了多孔的微纳多级结构，使铝合金表面材料的形貌具有超疏水性。将传统激光喷丸工艺中流水约束层成分改为有机溶液，受激光喷丸热力效应及产生的超高温超高压环境影响，铝合金表面材料与约束层中的有机物质发生反应，使低自由能官能团键合在了铝合金的表面，降低了材料的表面能，在制备的多孔微/纳结构及较低表面能共同作用下，铝合金材料表面具有了较好的超疏水效果。改进后的激光喷丸工艺不仅对铝合金的表面形貌和表面能产生影响，还会由于激光喷丸产生的高压等离子爆炸形成的冲击波使材料近表层(≤500μm)产生高应变率塑形变形，材料内部会产生高密度位错结构及大量的形变孪晶，组织晶粒得到了明显的细化，疏水结构的机械稳定性增强，铝合金疏水结构制备后的疲劳性能也得到提高，采用本发明提出的制备工艺可以同步实现铝合金超疏水表面制备与材料强化。
2.本发明所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，可以高效的实现铝合金材料超疏水表面的制备与材料基体的加强，激光器参数与约束层成分精准可控，具有良好的加工质量和重复性，加工柔性与自动化程度高。
3.本发明所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，可以同时实现基体材料强化与疏水功能表面的制备，工艺方法简单高效，疏水效果好，制备的多孔微纳结构具有较高的可靠性和稳定性，有力的促进了铝合金超疏水功能表面制备工艺在航天航空领域的应用。
附图说明
图1为本发明所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法的强化示意图。
图2为本发明所述的激光喷丸制备航空铝合金超疏水表面的不同搭接率激光喷丸路径示意图。
图3为本发明实施例1中获得的液滴静态接触角(WCA)图像。
图4为本发明实施例1中获得的液滴滚动角(SA)图像。
图5为本发明实施例1中获得的多孔微纳结构SEM图像。
图6为本发明实施例1中不同超声处理时间制备超疏水表面液滴接触角的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的激光喷丸制备航空铝合金超疏水表面的方法，通过激光喷丸工艺产生的热力效应使铝合金材料表面产生多孔微纳结构，对激光喷丸工艺流水约束层的成分进行改变，使铝合金表面材料与低自由能官能团在激光喷丸产生的超高温超高压的环境下稳固的键合起来，材料表面能得到降低，多孔微纳结构材料表面与较低表面能的获得使铝合金表面成为具有优良疏水性能的表面。由于激光喷丸产生的GPa量级冲击波的作用，多孔微纳结构下方的材料中产生大量的位错组织，晶粒得到细化，同时材料中也注入了高幅残余压应力，从而制备的超疏水表面具有超高机械稳定性。选取2024-T351铝合金作为研究对象，下面结合附图和三个具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
S01：将2024-T351铝合金板材通过线切割制成15mm×15mm×2mm的方块工件。然后采用400#、800#、1000#、1500#和2000#的砂纸将待处理工件表面打磨光滑并抛光至镜面，最后将表面抛光工件放入酒精溶液中超声清洗，以使材料表面无多余杂质。
S02：将处理好的工件安装在激光喷丸工艺的夹具上，以铝合金材料表面作为吸收层，含有5ml全氟辛基三乙氧基硅烷、100ml乙醇溶液和50ml的蒸馏水组成的混合有机溶液制备2mm厚的有机溶液约束层；Nd：YAG固体激光器输出参数为：波长1064nm，重复频率10Hz，脉冲宽度8ns，单脉冲能量1.5J，设定行间和列间的光斑搭接率均为20％，激光光斑直径为500μm；激光喷丸扫描路径如图2中的a所示，喷丸起始点在工件左上角，对铝合金工件表面进行激光喷丸，铝合金工件表面形成超疏水表面。
S03：激光喷丸完成后，将工件放置在80℃的烘干箱中保温处理10min，以去除材料表面多余的水分，促进铝合金材料表面与低自由能官能团进一步键合，材料表面能得到进一步降低，结合激光热力效应产生的具有多孔微纳结构的粗糙表面，完成铝合金超疏水表面的制备。
本实施例在铝合金表面通过改进的激光喷丸工艺制备了超疏水表面，如图3和图4所示，采用角接触测量仪测试了喷丸区域液滴的接触角为169.9°，滚动角为4°，达到了较好的表面疏水效果。多孔的微纳结构可以存储大量的空气，减少了液滴与材料的接触面积，如图5为激光喷丸制备铝合金超疏水表面的多孔微纳结构，孔洞的密度较大，可以为材料表面良好的疏水性提供结构上的支持。经过不同时长的超声振动后，制备的铝合金超疏水表面的液滴接触角变化如图6所示，可以发现随着试样振动时间的增加，接触角有所下降，这与制备的多孔微纳多级结构的破坏有关，但液滴接触角在超声振动5个小时后，依然能达到160°以上；制备的铝合金超疏水表面放置的30天内，液滴接触角观测值均在169°左右，说明了所制备的铝合金超疏水表面具有较高的结构稳定性。
实施例2：
S01：采用不同粒径的砂纸将线切割制备的2024-T351铝合金工件表面打磨光滑并抛光，随后采用丙酮溶液对抛光工件表面进行超声清洗，清洗时间为5min。
S02：激光喷丸制备铝合金超疏水表面时，以材料表面作为吸收层，含有7ml全氟辛基三乙氧基硅烷、150ml乙醇溶液和40ml的蒸馏水组成的混合有机溶液制备2mm厚的有机溶液作为约束层；Nd：YAG固体激光器输出参数为：波长1064nm，重复频率10Hz，脉冲宽度8ns，单脉冲能量2J，设定行间和列间的光斑搭接率均为50％，激光光斑直径为500μm；激光喷丸扫描路径如图2中的b所示，喷丸起始点在工件左上角。
S03：激光喷丸完成后，将工件放置在100℃的烘干箱中保温处理15min，以去除材料表面多余的水分，促进铝合金材料表面与低自由能官能团进一步键合，降低了材料的表面能，结合激光热力效应所产生的多孔微纳结构，完成2024-T351铝合金材料超疏水表面的制备。
实施例2与实施例1的铝合金材料超疏水表面的制备工艺是一致的，但对激光喷丸参数和约束层成分含量进行了调整，使得铝合金材料表面的多孔微纳结构发生了变化，进而使液滴的接触角发生改变。采用接触角测量软件测得制备的铝合金超疏水表面的静态接触角(WCA)为161.7°，动态滑动角(SA)为4.6°，具有良好的疏水性。
实施例3：
S01：2024-T351铝合金材料表面用不同粒径的的砂纸依次进行打磨，然后使用金相显微镜观察打磨表面划痕与裂纹，满足要求后于金相磨抛机上对处理表面抛光，使表面粗糙度≤0.05mm，最后在无水乙醇溶液中对抛光表面进行超声清洗；
S02：采用高能短脉冲激光器对铝合金工件表面进行喷丸处理时,以材料表面作为吸收层，含有10ml全氟辛基三乙氧基硅烷、200ml乙醇溶液和50ml的蒸馏水组成的混合有机溶液制备2mm厚的有机溶液作为约束层；Nd：YAG固体激光器输出参数为：波长1064nm，重复频率10Hz，脉冲宽度8ns，单脉冲能量2J，设定行间和列间的光斑搭接率均为80％，激光光斑直径为1mm；激光喷丸扫描路径如图2中的c所示，喷丸起始点在工件左上角。
S03：喷丸完成后对2024-T351铝合金材料表面进行烘干箱干燥处理，温度为90℃，时长为20分钟，干燥处理后的表面材料与低自由官能团键合率增加，表面能得到进一步降低，使激光喷丸后铝合金材料表面达到超疏水效果。
实施例3中激光喷丸光斑搭接率为80％，为了提高制备效率，光斑直径为1mm，激光喷丸形成的材料表面多孔微纳结构更加密集。采用接触角测量软件测得制备的铝合金超疏水表面的静态接触角(WCA)为163.3°，动态滑动角(SA)为5.5°，所制备的铝合金超疏水表面具有较好的疏水效果。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
以铝合金材料表面作为吸收层，在铝合金材料表面涂覆含有有机成分的约束层，所述含有有机成分的约束层为5ml～10ml的全氟辛基三乙氧基硅烷、100ml～200ml无水乙醇和30ml～50ml蒸馏水的混合有机溶液；对铝合金工件表面进行激光喷丸，铝合金工件表面形成超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，还包括如下步骤：对激光喷丸加工后的铝合金工件表面进行恒温干燥处理，用于提高表面材料与低自由能官能团的键合。
3.根据权利要求2所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，加工后的铝合金工件表面在80～100℃的环境中保温10～20min。
4.根据权利要求1所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述激光喷丸的光斑大小为0.5mm～2mm，激光喷丸的冲击方式采用多点搭接大面积冲击，激光喷丸的搭接率为30％～80％。
5.根据权利要求1所述的激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述激光抛丸的激光束波长为1064nm，脉冲宽度8ns，重复频率1Hz～10Hz，单次脉冲能量2J，呈高斯分布。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111455045.4A CN114406475B (zh) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
| US18/286,758 US12128501B2 (en) | 2021-12-01 | 2022-07-08 | Method for preparing superhydrophobic surface of aluminum alloy through laser peening |
| PCT/CN2022/104479 WO2023098084A1 (zh) | 2021-12-01 | 2022-07-08 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111455045.4A CN114406475B (zh) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114406475A true CN114406475A (zh) | 2022-04-29 |
| CN114406475B CN114406475B (zh) | 2023-09-22 |
Family
ID=81266174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111455045.4A Active CN114406475B (zh) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114406475B (zh) |
| WO (1) | WO2023098084A1 (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115537800A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-30 | 江苏大学 | 一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法 |
| WO2023098084A1 (zh) * | 2021-12-01 | 2023-06-08 | 江苏大学 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
| US11839934B1 (en) | 2022-06-08 | 2023-12-12 | Jiangsu University | Method for preparing super-hydrophobic aluminum alloy surface through flat-topped laser peening |
| WO2023236314A1 (zh) * | 2022-06-08 | 2023-12-14 | 江苏大学 | 一种平顶激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102626826A (zh) * | 2012-04-26 | 2012-08-08 | 江苏大学 | 一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置及方法 |
| CN103695906A (zh) * | 2013-12-27 | 2014-04-02 | 东华大学 | 一种超疏水铝及铝合金表面的制备方法 |
| CN109127328A (zh) * | 2018-07-13 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种金属表面构建超疏水涂层的方法 |
| CN109881195A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-14 | 江苏理工学院 | 一种镁合金微纳超疏水耐蚀性膜的制备方法 |
| CN109989090A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-09 | 江苏理工学院 | 一种利用超滑表面制备镁合金耐蚀性膜层的方法 |
| CN110560888A (zh) * | 2019-10-23 | 2019-12-13 | 山东大学 | 利用激光冲击成形技术将金属材料表面粗糙功能化的方法及其应用 |
| CN110760668A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-02-07 | 江苏大学 | 一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法 |
| CN111088469A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-01 | 江苏大学 | 一种铝合金表面强韧性的调控方法 |
| CN113308600A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 基于疏水涂层的激光冲击方法 |
| CN113445101A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-28 | 上海交通大学 | 铝合金表面粗糙化的超疏水涂层制备方法 |
| CN113621788A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 适用于激光冲击强化的约束层材料及其制备方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112013005113T5 (de) * | 2012-10-23 | 2015-08-27 | Imra America, Inc. | Gepulstes Laserbearbeitungsverfahren zur Herstellung von superhydrophoben Oberflächen |
| CN110170747B (zh) * | 2019-06-24 | 2021-05-04 | 吉林大学 | 一种仿生耦合集水铝合金防冰表面的制备方法 |
| CN112894143B (zh) * | 2021-01-25 | 2022-06-24 | 北京理工大学 | 基于飞秒激光直写扫描调控不锈钢表面浸润性的方法 |
| CN113146049B (zh) * | 2021-04-19 | 2022-08-23 | 江苏大学 | 一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置及加工方法 |
| CN113714646B (zh) * | 2021-08-31 | 2023-03-21 | 苏州金航纳米技术研究有限公司 | 一种激光构造超疏水超疏油表面的方法 |
| CN114406475B (zh) * | 2021-12-01 | 2023-09-22 | 江苏大学 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
-
2021
- 2021-12-01 CN CN202111455045.4A patent/CN114406475B/zh active Active
-
2022
- 2022-07-08 WO PCT/CN2022/104479 patent/WO2023098084A1/zh active Application Filing
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102626826A (zh) * | 2012-04-26 | 2012-08-08 | 江苏大学 | 一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置及方法 |
| CN103695906A (zh) * | 2013-12-27 | 2014-04-02 | 东华大学 | 一种超疏水铝及铝合金表面的制备方法 |
| CN109127328A (zh) * | 2018-07-13 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种金属表面构建超疏水涂层的方法 |
| CN109881195A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-14 | 江苏理工学院 | 一种镁合金微纳超疏水耐蚀性膜的制备方法 |
| CN109989090A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-09 | 江苏理工学院 | 一种利用超滑表面制备镁合金耐蚀性膜层的方法 |
| CN110760668A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-02-07 | 江苏大学 | 一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法 |
| CN110560888A (zh) * | 2019-10-23 | 2019-12-13 | 山东大学 | 利用激光冲击成形技术将金属材料表面粗糙功能化的方法及其应用 |
| CN111088469A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-01 | 江苏大学 | 一种铝合金表面强韧性的调控方法 |
| CN113308600A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 基于疏水涂层的激光冲击方法 |
| CN113445101A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-28 | 上海交通大学 | 铝合金表面粗糙化的超疏水涂层制备方法 |
| CN113621788A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 适用于激光冲击强化的约束层材料及其制备方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023098084A1 (zh) * | 2021-12-01 | 2023-06-08 | 江苏大学 | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
| US11839934B1 (en) | 2022-06-08 | 2023-12-12 | Jiangsu University | Method for preparing super-hydrophobic aluminum alloy surface through flat-topped laser peening |
| WO2023236314A1 (zh) * | 2022-06-08 | 2023-12-14 | 江苏大学 | 一种平顶激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 |
| GB2623639A (en) * | 2022-06-08 | 2024-04-24 | Univ Jiangsu | Method for preparing aluminum alloy super-hydrophobic surface by flat-top laser peening |
| CN115537800A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-30 | 江苏大学 | 一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114406475B (zh) | 2023-09-22 |
| US20240189945A1 (en) | 2024-06-13 |
| WO2023098084A1 (zh) | 2023-06-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114406475A (zh) | 一种激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 | |
| CN107253148B (zh) | 一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法 | |
| CN105821180B (zh) | 金属材料表面构筑粗晶-细晶梯度结构的方法及梯度结构 | |
| CN107267976B (zh) | 一种获得耐磨耐蚀钛合金工件的激光组合加工工艺 | |
| CN113967796B (zh) | 一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法 | |
| US12017302B2 (en) | Stress and texture morphology controlling method for preparing super-hydrophobic surface of aluminum alloy by laser etching | |
| Bolelli et al. | Properties of Al2O3 coatings by High Velocity Suspension Flame Spraying (HVSFS): Effects of injection systems and torch design | |
| Cetin et al. | Effect of parameters to the coating formation during cold spray process | |
| Toh | The use of ultrasonic cavitation peening to improve micro-burr-free surfaces | |
| Wu et al. | On the wettability diversity of C/SiC surface: Comparison of the ground C/SiC surface and ablated C/SiC surface from three aspects | |
| CN110904404A (zh) | 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置 | |
| CN107267903A (zh) | 一种铝合金的超低温激光冲击强化方法 | |
| Gou et al. | Preparation of 2024-T351 aluminum alloy super-hydrophobic surface by laser shock/etching | |
| US11839934B1 (en) | Method for preparing super-hydrophobic aluminum alloy surface through flat-topped laser peening | |
| Mann | Water droplet and cavitation erosion behavior of laser-treated stainless steel and titanium alloy: their similarities | |
| CN114985938B (zh) | 一种平顶激光喷丸制备铝合金超疏水表面的方法 | |
| Wang et al. | The effect of laser surface treatment on the adhesive bonding performance of aluminum alloy | |
| CN211311566U (zh) | 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置 | |
| CN113338027A (zh) | 一种碳纤维的表面处理方法 | |
| Mann | Laser treatment of textured X20Cr13 stainless steel to improve water droplet erosion resistance of LPST blades and LP bypass valves | |
| CN112680753A (zh) | 一种超疏水镁合金的制备方法 | |
| CN110421413A (zh) | 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 | |
| Li et al. | Simulation and Experimental Study of C/SiC Composites by Laser-ultrasonic Hybrid Micromachining | |
| CN114134446B (zh) | 一种fgh96合金尺寸超差部位的前处理及修复方法 | |
| CN112111240B (zh) | 一种应用于汽车防撞梁的碳纤维多孔丙纶复合材料及制备工艺 |
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 |