CN114619148A - 一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料表面处理领域，具体涉及一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法。采用飞秒激光在4J36因瓦合金表面加工阵列式微坑、或加工平行设置的微槽，微坑的横截面呈现V型，即微坑为锥形，微槽的横截面呈现V型，即微槽为倒三角条形貌；微坑的直径为40‑50μm，微槽的宽度为45‑55μm。本发明采用飞秒激光对因瓦合金进行毛化，制备的微坑和微槽结构的横截面呈V型，具有更好的润湿性；另外飞秒激光制备的微坑和微槽的结构尺寸为微米级和纳米级，进一步的优化了因瓦合金的润湿性。

Description

一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法

技术领域

本发明属于材料表面处理领域，具体涉及一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法。

背景技术

4J36因瓦合金是一种铁基合金，因为其具有热稳定性强的面心立方结构，使其热膨胀系数根据温度的变化几乎不变。其中牌号为4J36的因瓦合金含Ni35.4％，。4J36Invar合金最显著的特点是热膨胀系数最较低(0.5～2.5/℃)，当其处于-80℃到230℃之间时，韧性、塑性较强，同时具有优秀的断面收缩率、冲击韧性、延伸率等。此外因瓦Invar合金的线膨胀系数非常稳定，且不会轻易被腐蚀，在精密仪器设备方面是一种非常合适的新型结构材料，在航空航天领域应用非常广泛。

但是由于航空航天器工作的低温环境，仪器仪表表面存在水附着导致的低温结冰的困扰，会对设备带来不可逆的损伤。而这些精密的仪表仪器，在要求保证极端环境中稳定性的前提下，还对自身重量有着严苛限制，以便使航空航天器的整体自重最小化。因此传统的除冰仪器受限于体积及质量难以应用于航天航天器。基于此，通过改变材料表面润湿性，使液态水难以润湿铺展从而无法结冰附着具有重要意义。同时与之相反的增加材料表面的润湿铺展性可以使因瓦合金表面快速与液态水结合，相比一般情况更容易凝固结冰，可以应用到航空航天器的结冰预警器上，实现设备结冰的前期告警。因此改变材料表面润湿性，使液态水更容易润湿铺展从而加速结冰附着同样具有重要意义。

但是由于传统的表面处理方法如电镀、热浸等等，不仅工艺复杂、成本较高、加工精度不足、污染较大，还会因为引入新材料而增加母材的质量，不利于航空航天器的轻量化原则。而减材毛化本质是通过某种高能量密度的热源作用于材料表面，使得表面升温、部分材料熔化、气化以及产生等离子体，在此过程中材料被剥离离开母材，最终在母材表面形成不同形状的凹陷结构。在此过程中，没有其他元素的引入。常见的减材毛化通常有电子束毛化和激光毛化这两种。但是电子束毛化成本较高，激光毛化得到的产品性能不好。由于因瓦合金具有耐腐蚀的特点，因此难以选择化学的方式对其进行表面处理，而减材表面处理本质是通过某种高能量密度的热源作用于材料表面，使得表面升温、部分材料熔化、气化以及产生等离子体，在此过程中材料被剥离离开母材，最终在母材表面形成不同形状的凹陷结构。此过程中：

(1)对于表面形貌可控，可以有效获得所需润湿性的表面织构。

(2)操作简单，成本低，对于环境无污染。

而烧蚀阈值是指激光束由材料表面被烧蚀后起到材料明显去除作用所需要的最小的能量密度。不同的烧蚀状态下材料的烧蚀阈值不同，只有材料的烧蚀阈值远小于激光能量密度时，材料表面才会出现明显的烧蚀现象；如果材料的烧蚀阈值大于激光的能量密度，则材料不会发生明显烧蚀。如果采用传统的光纤激光，则短时间内很难达到因瓦合金的烧蚀阈值，无法加工出可控的微米级别形貌

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法，采用飞秒激光在4J36因瓦合金表面加工阵列式微坑、或加工平行设置的微槽，微坑的横截面呈现V型，即微坑为锥形，微槽的横截面呈现V型，即微槽为倒三角锥条倒三角条形貌；微坑的直径为，微槽的宽度为。

进一步的，所述方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：材料预处理；

步骤(2)：采用飞秒激光对4J36因瓦合金表面进行毛化处理；

步骤(3)：在因瓦合金表面进行原位水润湿角测试。

进一步的，步骤(1)材料预处理具体为：线切割因瓦合金母材；然后采用240号水磨砂纸打磨，直至露出银白色金属光泽；再用超声清洗打磨后的因瓦合金，放置于干燥室中干燥。

进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：

步骤(21)：制备微坑结构：飞秒激光的扫描路径为不连续非移动加工，即单点阵列式排布，点间距为140-170μm，飞秒激光的加工功率为12-20W，重复次数为1-5次，单点停留时间为8000-10000μs；

步骤2-2：制备微槽结构：飞秒激光的扫描路径为连续加工，即加工路径呈直线，线间距为140-170μm；飞秒激光加工功率为12-20W，扫描次数为1-5次，扫描速率850-1000mm/s。

进一步的，步骤(3)进行原位水润湿角测试之前将步骤2处理过的因瓦合金母材超声清洗10-20min，使用原位水润湿角检测仪对两种表面形貌的因瓦合金分别进行润湿角观测。

进一步的，所述4J36因瓦合金的厚度为2-3mm。

一种因瓦合金，采用上述的方法制备。

一种飞秒激光的用途，用于对4J36因瓦合金表面润湿性进行改变。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)飞秒激光加工过程中作用时间短而热输入集中，热传递速度极快，加工效率高；在加工过程中等离子体所带的正电荷会相互排斥，不容易留下残渣；只要在飞秒激光的能量密度大于材料烧蚀阈值的前提下，飞秒激光基本可以实现对任意材料的加工；飞秒激光作为一种脉宽极短的激光加工技术，可以实现对材料的超精细加工，精度可以达到微米级或者纳米级；因瓦合金母材会因为激光能量的富集而温度上升，从而影响材料本身的性能，因此本发明选择热膨胀系数最低的4J36因瓦合金。

(2)两种微纳结构精度为微米级别，微坑的横截面呈现V型，即微坑为锥形；微槽的横截面呈现V型，即微槽为倒三角条形貌；形成两种结构的过程如下：

飞秒激光脉宽通常在10fs以下，峰值功率极高，在短时间内作用于材料表面，以远大于材料气化温度的热量照射材料表面，使得材料温度急剧上升，短时间内发生光子高度电离，最后以等离子体的形式喷射而出，达到材料去除的目的；飞秒的光束强度一般具有高斯分布的特性，即激光束光斑内的各处激光强度是不均匀分布的，由两端向中心部位逐渐增大，而中心处的光强达到了峰值；激光中心的烧蚀深度最大；由于飞秒激光在中心部位能量密度的高度集中、极高的峰值功率以及超快的加工速度，使得飞秒激光可以迅速达到4J36因瓦合金的烧蚀阈值，在此过程中，加工中心处能量密度大，富集的热量多，使得次数材料烧蚀剧烈，烧蚀深度更深；而富集的热量由中间向四周递减，使得烧蚀深度也递减；由于峰值功率是一定的，因此在加工中心处的最大烧蚀深度也是一定的；因此在合理参数的控制下可以在材料表面制备出截面为V型的微米级结构，而改变激光的行进路线，则可以分别制备出锥形的微坑和倒三角条形的微槽；而锥形的微坑和倒三角条形的微槽分别具有更好的亲水和疏水性是本领域公知的，也就是说，本发明采用飞秒激光对因瓦合金表面进行毛化具有预料不到的技术效果。

附图说明

图1为因瓦合金表面微坑形貌金相图。

图2为微坑形貌下因瓦合金表面水润湿角观测图。

图3为微坑形貌的截面三维扫描图。

图4为微坑形貌的三维超景深图像。

图5为原始形貌下因瓦合金表面水润湿角观测图。

图6为因瓦合金表面微槽形貌金相图。

图7为微槽形貌下因瓦合金表面水润湿角观测图。

图8为微槽形貌的截面三维扫描图。

图9为微槽形貌的三维超景深图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种使用飞秒激光对因瓦合金进行表面处理从而改变因瓦合金表面对水润湿性的方法。一种飞秒激光改变因瓦合金表面织构的方法，通过调节飞秒激光的加工参数和行进路线，制备微坑和微槽两种形貌，从而使加工过的因瓦合金具有疏水和亲水两种不同的属性。

一种飞秒激光改变因瓦合金表面织构从而改变润湿性的方法具体步骤为：

第一步：用线切割切割因瓦合金母材，并将因瓦合金母材采用240号水磨砂纸打磨，直至露出银白色金属光泽，再用超声清洗打磨后的因瓦合金，放置于干燥室中干燥。

第二步：调节飞秒激光参数和路径在因瓦合金表面制备微坑结构。

第三步：调节飞秒激光参数和路径在因瓦合金表面制备微槽结构。

第四步：将步骤2处理过的因瓦合金母材超声清洗10min，然后使用原位水润湿角检测仪对两种表面形貌的因瓦合金分别进行润湿角观测。

本发明第二步中飞秒激光的扫描路径为不连续非移动加工，即单点阵列式排布，点间距为160μm，加工功率为12W，重复次数为1，单点停留时间为10000μs。

本发明第三步中飞秒激光的扫描路径为连续加工，即加工路径呈直线，线间距为160μm，加工功率为12W，扫描次数为1，扫描速率1000mm/s。

本发明的原理及依据是：通过在因瓦合金表面制备不同的微米级别织构，从而形成不同的物理形貌，以此改变水在因瓦合金表面的润湿性。不同形貌的织构具有不同的亲疏水性。

实施例1

采用线切割切割因瓦合金母材，并将因瓦合金母材采用240号水磨砂纸打磨，直至露出银白色金属光泽，再用超声清洗打磨后的因瓦合金，放置于干燥室中干燥。通过设置飞秒激光的扫描路径为不连续非移动加工，即单点阵列式排布，点间距为160μm，加工功率为12W，重复次数为1，单点停留时间为10000μs，在表面制备微坑形貌(如图1)所示。然后将加工过的因瓦合金超声清洗10min，在其表面进行原位水润湿角检测，所得结果如图2所示。微坑的横截面呈V型(如图3)，即微坑为锥形形貌(如图4)。对比原始形貌润湿角(如图5所示)，可以发现此形貌下因瓦合金表现为亲水，其原因为飞秒激光制备的锥形微坑结构对水具有“钉扎”作用，有利于液态水在材料表面的汇集，坑与坑之间形成了更大的孤立结构，使得表面粗糙度增大，水滴聚集于独立的微坑中，提高了因瓦合金表面的润湿性使其亲水。

实施例2

采用线切割切割因瓦合金母材，并将因瓦合金母材采用240号水磨砂纸打磨，直至露出银白色金属光泽，再用超声清洗打磨后的因瓦合金，放置于干燥室中干燥。通过设置飞秒激光的扫描路径为连续加工，即加工路径呈直线，线间距为160μm，加工功率为12W，扫描次数为1，扫描速率1000mm/s，在表面制备微槽形貌(如图6)所示。然后将加工过的因瓦合金超声清洗10min，在其表面进行原位水润湿角检测，所得结果如图7所示。微槽的横截面呈现V型(如图8)，即微槽为倒三角锥条倒三角条形貌(如图9)。对比原始形貌润湿角(如图5所示)，可以发现此形貌下因瓦合金表现为疏水，其原因为飞秒激光制备的倒三角条形微槽结构会使液体在垂直于微槽方向铺展过程中有较大的能量壁垒，其结构对三项线的移动起到了阻碍作用，增大了这一方向的平衡接触角，最终致使因瓦合金表面润湿性变差，使其疏水。

本发明有益效果为：发明的一种使用飞秒激光在因瓦合金进行表面制备不同微米级别结构以改变其润湿性的方法，成功改变了因瓦合金对水的润湿性，使其在不同情况下具有亲水和疏水的性能。

Claims (8)

1.一种通过飞秒激光改变因瓦合金表面润湿性的方法，其特征在于，采用飞秒激光在4J36因瓦合金表面加工阵列式微坑、或加工平行设置的微槽，微坑的横截面呈现V型，即微坑为锥形，微槽的横截面呈现V型，即微槽为倒三角锥条倒三角条形貌；微坑的直径为40-50μm，微槽的宽度为45-55μm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：材料预处理；

步骤(2)：采用飞秒激光对4J36因瓦合金表面进行毛化处理；

步骤(3)：在因瓦合金表面进行原位水润湿角测试。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)材料预处理具体为：线切割因瓦合金母材；然后采用240号水磨砂纸打磨，直至露出银白色金属光泽；再用超声清洗打磨后的因瓦合金，放置于干燥室中干燥。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下步骤：

步骤(21)：制备微坑结构：飞秒激光的扫描路径为不连续非移动加工，即单点阵列式排布，点间距为140-170μm，飞秒激光的加工功率为12-20W，重复次数为1-5次，单点停留时间为8000-10000μs；

步骤2-2：制备微槽结构：飞秒激光的扫描路径为连续加工，即加工路径呈直线，线间距为140-170μm；飞秒激光加工功率为12-20W，扫描次数为1-5次，扫描速率850-1000mm/s。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)进行原位水润湿角测试之前将步骤2处理过的因瓦合金母材超声清洗10-20min，使用原位水润湿角检测仪对两种表面形貌的因瓦合金分别进行润湿角观测。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述4J36因瓦合金的厚度为2-3mm。

7.一种因瓦合金，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的方法制备。

8.一种飞秒激光的用途，其特征在于，用于对4J36因瓦合金表面润湿性进行改变。

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