CN114799532B - 激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，属于材料表面微纳结构制造领域。包括以下步骤：对非晶合金表面进行机械研磨与抛光；对研磨抛光后的非晶合金表面进行纳秒激光辐照，获得微凹坑阵列结构；在微凹坑阵列结构表面涂上一层薄薄的石蜡，随后利用抛光液对其进行机械抛光，在这个过程中，抛光液中的抛光颗粒会渗入到石蜡与微凹坑内壁的间隙中，使得微凹坑结构的表面质量得到改善；利用丙酮对机械抛光后的非晶合金表面进行清洗，获得具有高表面质量的非晶合金微凹坑阵列结构。通过改变相邻辐照点的间距和抛光过程参数，可高效地制备具有不同特征尺寸的微凹坑阵列，在摩擦学、微纳光学、微模具等领域具有良好的应用前景。

Description

激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法
技术领域
本发明涉及材料表面微纳结构制造领域，特别涉及一种激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，在摩擦学、微纳光学、微模具等领域具有良好的应用前景。
背景技术
宏观物质是由极其微小的粒子构成的(分子、原子或离子)，按照粒子的排列方式，材料可以分为两大类：粒子排列十分规则的晶态物质和粒子排列长程无序的非晶态物质。作为一种新型的非晶态物质，非晶合金自问世以来就受到了科学界与产业界的广泛关注。由于不存在位错、层错、晶界等缺陷，非晶合金表现出优异的机械、物理和化学性能，例如高强度、高弹性极限以及出色的耐磨性和耐腐蚀性等。这些优异的特性促使非晶合金逐步发展成为航空航天、武器装备等高技术以及高档体育用品、消费性电子产品等高附加值产品争相选用的新型结构材料。此外，非晶合金还具有良好的生物相容性和优异的软磁性能，这使其在生物医学工程和电子通信等领域也呈现出良好的应用前景。与此同时，已有研究结果表明，在非晶合金表面制备规则的微纳米结构有助于进一步增强其力学与功能特性，如提高非晶合金植入体的耐磨性和生物相容性、增强表面润湿性等。
作为一种典型的功能微纳结构，微凹坑阵列结构在细胞过滤与筛选、减摩减损、提高传热性能等诸多方面具有应用价值。有效的微凹坑阵列加工技术是实现上述应用的保障，目前可以实现金属表面微凹坑阵列加工的方法主要有化学溶剂刻蚀、热压成型、微电极阵列加工、纳秒激光微加工等。其中，纳秒激光微加工技术是利用纳秒激光与材料交互过程中的快速加热和冷却循环实现材料去除的一种先进制造技术。与其他加工方法比较，具有通用性强，环境友好，易大面积加工等优点，是一种颇具发展潜力的非晶合金表面微凹坑阵列加工技术。
在2020年《Journal of Materials Processing Technology》第283卷116714(Investigations in the fabrication of surface patterns for wettabilitymodification on a Zr-based bulk metallic glass by nanosecond laser surfacetexturing)中，YangJiao等通过在大气环境下进行纳秒激光辐照，在锆基非晶合金表面制备了微凹坑阵列结构，提高了其表面亲水性。然而，纳秒激光加工属于热加工，已有研究虽能在非晶合金表面制备微凹坑结构，但往往表面质量较差且伴随着大量的重铸碎片与颗粒，难以实现高表面质量的微凹坑阵列加工。机械抛光是利用切削和材料表面塑性变形去除材料微小突出部分以得到平整表面的典型方法。然而，在处理微凹坑阵列结构的过程中，大量的抛光颗粒可能会集中于微凹坑结构的内壁，导致严重的划伤和磨损。
因此，如何实现高表面质量的非晶合金微凹坑阵列结构的高效低成本加工，是制造加工技术领域人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，以克服现有加工技术在非晶合金表面加工微凹坑阵列结构存在的表面质量差、成本高、工艺流程复杂、可控性差等问题。利用本发明提供的方法，通过控制激光辐照参数和抛光过程参数，可实现具有不同特征尺寸的微凹坑阵列的制备，在摩擦学、微纳光学、微模具等领域具有良好的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对块体非晶合金表面进行研磨、抛光处理，去除表面氧化层，随后依次使用丙酮和去离子水对抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，并使用吹风机吹干；
(2)在真空环境下，对步骤(1)所得的非晶合金表面以设定的激光辐照参数进行纳秒激光辐照，获得微凹坑阵列结构，所述的激光辐照参数包括：激光波长为532nm，脉冲宽度为15.4ns，重复频率为1kHz，峰值激光功率强度为2.02×1012～4.52×1012W/cm2,激光脉冲数为1～10次，激光能量分布为高斯分布；
(3)在微凹坑阵列结构表面涂上一层薄薄的石蜡，随后利用抛光液对其进行机械抛光，在这个过程中，抛光液中的抛光颗粒会渗入到石蜡与微凹坑内壁的间隙中，使得微凹坑结构的表面质量得到改善；
(4)利用丙酮对机械抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，获得具有高表面质量的非晶合金微凹坑阵列结构。
进一步的，步骤(1)中所述的抛光后的非晶合金表面的粗糙度在10nm以下。
进一步的，步骤(2)中，首先进行单点激光辐照，随后利用扫描电子显微镜测量单点微凹坑结构的直径，并以此为依据选择和控制相邻激光辐照点间距，制备所需的微凹坑阵列结构。
进一步的，步骤(3)中，抛光时间和抛光压力可根据所需微凹坑阵列结构的深度要求进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过激光辐照和蜡封抛光相结合的组合加工工艺，为非晶合金表面微凹坑阵列结构的高质量加工提供了一种解决方案。通过蜡封保护，可以大幅度抑制抛光液中的抛光颗粒大量聚集于微凹坑内壁对其造成划伤与磨损。同时，少量的抛光颗粒会渗入到石蜡与微凹坑内壁的间隙中，有利于提高微凹坑结构的表面质量。通过控制激光辐照参数和抛光过程参数，可实现具有不同特征尺寸的微凹坑阵列的可控制备，工艺流程简单、快捷，灵活性高。本发明采用的加工设备主要包括纳秒激光加工系统、研磨抛光设备、加热台，加工设备简单易搭建，成本低，可实现大面积微凹坑阵列结构的高质量加工。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明提供的一种激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法流程示意图；
图2是本发明实施例1涉及的微凹坑阵列结构的扫描电子显微镜图像；
图3是本发明实施例1涉及的微凹坑阵列结构经过蜡封抛光后的扫描电子显微镜图像；
图4为本发明实施例2涉及的微凹坑阵列结构的扫描电子显微镜图像；
图5为本发明实施例2涉及的微凹坑阵列结构经过蜡封抛光后的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1所示，本发明的激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，包含以下步骤：
(1)对块体非晶合金表面进行研磨、抛光处理，去除表面氧化层，随后依次使用丙酮和去离子水对抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，并使用吹风机吹干；
(2)在真空环境下，对步骤(1)所得的非晶合金表面以设定的激光辐照参数进行纳秒激光辐照，获得微凹坑阵列结构，所述的激光辐照参数包括：激光波长为532nm，脉冲宽度为15.4ns，重复频率为1kHz，峰值激光功率强度为2.02×1012～4.52×1012W/cm2,激光脉冲数为1～10次，激光能量分布为高斯分布；
(3)在微凹坑阵列结构表面涂上一层薄薄的石蜡，随后利用抛光液对其进行机械抛光，在这个过程中，抛光液中的抛光颗粒会渗入到石蜡与微凹坑内壁的间隙中，使得微凹坑结构的表面质量得到改善；
(4)利用丙酮对机械抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，获得具有高表面质量的非晶合金微凹坑阵列结构。
进一步的，步骤(1)中所述的抛光后的非晶合金表面的粗糙度在10nm以下。
进一步的，步骤(2)中，首先进行单点激光辐照，随后利用扫描电子显微镜测量单点微凹坑结构的直径，并以此为依据选择和控制相邻激光辐照点间距，制备所需的微凹坑阵列结构。
进一步的，步骤(3)中，抛光时间和抛光压力可根据所需微凹坑阵列结构的深度要求进行控制。
下面以典型的锆基非晶合金(Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5)表面制备高质量的微凹坑阵列结构为例，进一步说明本发明的实施过程和有益效果。
实施例1:
参见图2及图3所示，是本实施例的纳秒激光辐照制备的微凹坑阵列结构在蜡封抛光前后的扫描电子显微镜图像。选择的峰值激光功率强度为4.52×1012W/cm2，激光脉冲数目为10次，相邻微凹坑的间距为120μm，抛光压力为0.64MPa，抛光时间为15分钟。可以发现，在蜡封抛光后，微凹坑周围的堆积物以及表面重铸碎片与颗粒均被有效地去除，且抛光前后的微凹坑结构的直径分别为81μm和60μm。
实施例2:
参见图4及图5所示，是本实施例的纳秒激光辐照制备的微凹坑阵列结构在蜡封抛光前后的扫描电子显微镜图像。选择的峰值激光功率强度为2.02×1012W/cm2，激光脉冲数目为10次，相邻微凹坑的间距为100μm，抛光压力为0.64MPa，抛光时间为15分钟。可以发现，在蜡封抛光后，微凹坑周围的堆积物以及表面重铸颗粒均被有效地去除，且抛光前后的微凹坑结构的直径分别为47μm和30μm。
表面粗糙度测试：下表1为实施例1和2所制备的微凹坑阵列在蜡封抛光前后的表面粗糙度测试结果，表面粗糙度的数值越小，表明材料表面越平整、光滑，即表面质量越高。
表1
样品 粗糙度Sa/μm
实施例1(蜡封抛光前) 3.46
实施例1(蜡封抛光后) 1.28
实施例2(蜡封抛光前) 1.61
实施例2(蜡封抛光后) 1.04
从表1可以看出，利用本发明提出的蜡封抛光方法，可使得纳秒激光辐照制备的微凹坑阵列的表面粗糙度显著降低。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对块体非晶合金表面进行研磨、抛光处理，去除表面氧化层，随后依次使用丙酮和去离子水对抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，并使用吹风机吹干；
(2)在真空环境下，对步骤(1)所得的非晶合金表面以设定的激光辐照参数进行纳秒激光辐照，获得微凹坑阵列结构，所述的激光辐照参数包括：激光波长为532nm，脉冲宽度为15.4ns，重复频率为1kHz，峰值激光功率强度为2.02×1012～4.52×1012W/cm2,激光脉冲数为1～10次，激光能量分布为高斯分布；
(3)在微凹坑阵列结构表面涂上一层薄薄的石蜡，随后利用抛光液对其进行机械抛光，在这个过程中，抛光液中的抛光颗粒会渗入到石蜡与微凹坑内壁的间隙中，使得微凹坑结构的表面质量得到改善；
(4)利用丙酮对机械抛光后的非晶合金表面进行超声波清洗，获得具有高表面质量的非晶合金微凹坑阵列结构。
2.根据权利要求1所述的激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的抛光后的非晶合金表面的粗糙度在10nm以下。
3.根据权利要求1所述的激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，其特征在于：步骤(2)中，首先进行单点激光辐照，随后利用扫描电子显微镜测量单点微凹坑结构的直径，并以此为依据选择和控制相邻激光辐照点间距，制备所需的微凹坑阵列结构。
4.根据权利要求1所述的激光辐照结合蜡封抛光制备高质量非晶合金微凹坑的方法，其特征在于：步骤(3)中，抛光时间和抛光压力可根据所需微凹坑阵列结构的深度要求进行控制。
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