CN115537800A - 一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法，所述系统包括底座和设置在底座上的回转移动装置、铺粉装置、喷漆装置、激光冲击装置、清洗装置；所述铺粉装置、所述喷漆装置、所述激光冲击装置、所述清洗装置依次设置在所述回转移动装置的周围，所述回转移动装置上设置有铺粉工位、喷漆工位、激光冲击工位、清洗工位。采用该系统依次对工件进行表面微纳颗粒铺粉、表面黑漆覆盖、激光冲击、表面冲洗，所述系统将加工环节集成化，能够同时对金属表面进行不同处理，实现了加工的自动化和批量化，大幅提高了加工效率，实现金属表面超疏水结构的快速制备和低成本加工。
Description
技术领域
本发明属于金属表面加工领域，具体涉及一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法。
背景技术
超疏水表面对水表现出优异的排斥性，使其在自清洁、防雾、抗结冰、耐腐蚀、液体无损转移、油水分离等领域有着广阔的应用前景。目前，超疏水表面的制备方法有激光刻蚀法、化学沉积法、化学刻蚀法、电化学沉积法、电化学刻蚀法、热氧化法、喷涂法等，但是化学沉积、刻蚀和电化学沉积、刻蚀等方法容易对环境造成污染，热氧化法不适合自动化，激光刻蚀的加工效率不高，喷涂法形成表面结构不够稳定。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种金属表面多级超疏水结构的加工系统及其制备方法，采用该系统依次对工件进行表面微纳颗粒铺粉、表面黑漆覆盖、激光冲击、表面冲洗，所述系统将加工环节集成化，能够同时对金属表面进行不同处理，实现了加工的自动化和批量化，大幅提高了加工效率，实现金属表面超疏水结构的快速制备和低成本加工。
第一方面，本发明提供一种金属表面多级超疏水结构的加工系统，包括底座和设置在底座上的回转移动装置、铺粉装置、喷漆装置、激光冲击装置、清洗装置；所述铺粉装置、所述喷漆装置、所述激光冲击装置、所述清洗装置依次设置在所述回转移动装置的周围，所述回转移动装置上设置有铺粉工位、喷漆工位、激光冲击工位、清洗工位；
所述铺粉装置包括支撑平台、带轮支座、四个带轮、传送带、伺服电机、铺粉漏槽支座、铺粉漏槽、可调节铺粉刮刀；四个所述带轮支座呈矩形布置在所述支撑平台上，所述带轮支座上转动设置有带轮，所述带轮包括两个主动轮和两个从动轮，所述主动轮和从动轮之间通过所述传送带连接，所述支撑平台上表面设置有滑轨，所述传送带的传输方向与所述滑轨方向平行；所述铺粉漏槽支座的底部与所述滑轨滑动连接，所述铺粉漏槽支座上方安装有所述铺粉漏槽，在所述铺粉漏槽支座上与所述传送带固定连接，两个所述主动带轮中心设置有回转轴，所述带轮伺服电机与所述回转轴固定连接；所述可调节铺粉刮刀设置在所述铺粉漏槽支座下方。
可选地，所述铺粉漏槽支座上沿着所述滑轨延伸方向对称设置有一对通孔，所述传送带穿过所述通孔并与所述铺粉漏槽支座固定连接。
可选地，所述铺粉漏槽支座位于所述传送带的下方，所述铺粉漏槽与所述铺粉漏槽支座可拆卸连接。
可选地，所述回转移动装置包括底座、回转主轴、滑轨、加工平台、步进电机，所述底座上转动设置有回转主轴，所述回转主轴上端固定安装有所述加工平台，所述步进电机能够驱动所述回转主轴转动，所述加工平台上设置有所述滑轨和工件安装台，所述工件安装台底部安装有滑轮，所述滑轮能够带动所述工件安装台沿着所述滑轨进行滑动。
可选地，所述喷漆装置包括六自由度的喷漆机械臂、内部驱动装置、喷头、送漆管，所述喷漆机械臂固定连接在底板上，所述喷漆机械臂的前端固定连接有所述喷头，所述送漆管一端固定连接所述喷头，一端装置外含泵的蓄漆箱相连。
可选地，所述激光冲击装置包括光学支撑平台、第一光学镜片、第二光学镜片、第三光学镜片、光学镜片支座和激光器，所述光学支撑平台固定在底板上，所述光学镜片支座固定在所述光学支撑平台上，所述激光器安置在光学支撑平台上，所述激光器发射的激光通过光学镜片能够照射到所述激光喷丸工位上。
可选地，所述清洗装置包括清洗机械臂及内部驱动装置、清洗喷头和送水管，所述六自由度清洗机械臂固定连接在所述底板上，所述清洗喷头固定连接在所述清洗机械臂的前端，所述送水管一端固定连接清洗喷头，一端装置外含泵的蓄水箱相连。
第二方面，本发明提供一种金属表面多级超疏水结构的制备方法，所述金属为铝、铝合金、铜或铜合金的一种，包括以下步骤：
步骤1：去除金属表面的氧化层，打磨抛光后对金属合金表面进行清洗；
步骤2：将金属工件放置在回转移动装置的工作安装台上进行固定；
步骤3：转动加工平台使所述工件进入铺粉工位，所述铺粉单元的伺服电机通过带轮转动带轮带动传送带移动，所述铺粉漏槽随所述传送带在工件表面移动，将微纳米颗粒均匀铺置在工件表面，所述可调节铺粉刮刀将所述微纳米颗粒层厚度控制在0.1～0.2mm；
步骤4：所述回转移动装置将经铺粉处理的工件送入喷漆工位，所述喷漆机械臂带动喷漆喷头将黑漆均匀地喷涂到工件表面，喷涂厚度为0.01～0.02mm；
步骤5：所述回转移动装置将经喷涂的工件送入进入激光冲击工位，清洗机械臂带动清洗喷头移动到激光冲击工位，减小水压使其流出2mm的流动水帘，激光冲击单元的激光器发射激光束，对工件表面的微纳颗粒进行冲击；
步骤6：所述回转移动装置将经激光冲击的工件送入清洗工位，所述清洗机械臂回到清洗工位，增大水压使清洗喷头按对工件表面进行清洗，冲洗掉工件表面残留的微纳颗粒和黑漆；
步骤7：对工件表面激光冲击微纳米颗粒后形成的超疏水表面；
步骤8：对经激光冲击后的工件进行后续热处理。
有益技术效果：
1.本发明的系统能够借助高能短脉冲激光所产生的GPa量级冲击波，将微纳米颗粒压入金属表面，获得突起(颗粒保留在金属表面)或者凹坑(颗粒从金属表面脱离)的微观表面结构，同时在更大尺度金属表面因为激光诱导的等离子体爆轰波，在光斑范围内形成凹坑，使得一次加工能够制备出金属表面的多级结构，通过改变颗粒尺寸，在金属表面形成不同大小的凹坑(或突起)，进而提高液体滴加在金属表面的张力，从而获得具有良好超疏水性能的金属表面，从而获得较好的表面超疏水性能。
2.由于微纳米粉末比表面能高，熔点相对于宏观尺寸的材料较低，在高温的加工过程中易熔化，融化后再凝固往往会失去大部分微纳米性能。本发明的加工系统和制备方法克服了上述缺陷，采用激光冲击避免了微纳米颗粒和金属基体的熔化，也避免了熔化过程可能带来的烧损、气孔、裂纹等问题，使金属表面微结构具有更好的力学性能。此外，加工条件清洁高效无污染。
3.本发明中金属表面多级超疏水结构的制备方法，对金属表面激光冲击微纳米颗粒后形成的超疏水表面进行后续热处理，能够提高整体性能。
附图说明
图1为本发明的金属表面多级超疏水结构的加工系统立体图；
图2为本发明的铺粉漏槽支座的局部放大图；
图3为本发明的金属表面多级超疏水结构的加工系统俯视图；
图4为本发明的金属表面多级超疏水结构的加工系统部分单元的示意图；
图5为本发明的激光冲击装置的示意图；
图6为本发明的回转移动装置示意图；
图7为本发明的铺粉装置示意图；
图8为本发明的金属表面多级超疏水结构示意图。
其中，附图标记为：1、回转移动装置；11、回转主轴；12、加工平台；122、圆轨道；123、工件安装台；13、步进电机；2、铺粉装置；21、支撑平台；211、滑轨；22、带轮支座；23、带轮；24、传送带；25、伺服电机；26、铺粉漏槽支座；27、铺粉漏槽；28、可调节铺粉刮刀；3、喷漆装置；31喷漆机械臂；32、喷头；33送漆管；4、激光冲击装置；41、光学支撑平台；42、第一光学镜片；43、第二光学镜片；44、第三光学镜片；45、光学镜片支座；46、激光器；5、清洗装置；51、清洗机械臂；52、清洗喷头；53、送水管；6、底座。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
可以理解的是，此处描述的具体实施例和附图仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
可以理解的是，在不冲突的情况下，本发明的各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
可以理解的是，为便于描述，本发明的附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分，而与本发明实施例无关的部分未在附图中示出。
第一方面，参照图1至图8，本发明实施例提供一种金属表面多级超疏水结构的加工系统，包括底座6和设置在底座上的回转移动装置1、铺粉装置2、喷漆装置3、激光冲击装置4、清洗装置5；所述铺粉装置2、所述喷漆装置3、所述激光冲击装置4、所述清洗装置5依次设置在所述回转移动装置1的周围，所述回转移动装置1上设置有铺粉工位、喷漆工位、激光冲击工位、清洗工位；
所述铺粉装置2包括支撑平台21、带轮支座22、带轮23、传送带24、伺服电机25、铺粉漏槽支座26、铺粉漏槽27、可调节铺粉刮刀28；四个所述带轮支座22呈矩形布置在所述支撑平台21上，所述带轮支座22上转动设置有带轮23，所述带轮23包括两个主动轮和两个从动轮，所述主动轮和从动轮之间通过所述传送带24连接，所述支撑平台21上表面设置有滑轨211，所述传送带24的传输方向与所述滑轨211方向平行；所述铺粉漏槽支座26的底部与所述滑轨211滑动连接，所述铺粉漏槽支座26上方安装有所述铺粉漏槽27，在所述铺粉漏槽支座26上与所述传送带24固定连接，两个所述主动带轮中心设置有回转轴，所述带轮伺服电机与所述回转轴固定连接；所述可调节铺粉刮刀28设置在所述铺粉漏槽支座下方。
所述伺服电机25带动所述主动带轮中的回转轴转动，所述主动带轮带动所述从动带轮转动，进而使传送带24移动，所述传送带24带动所述铺粉漏槽27移动，使微纳颗粒铺在工件表面，同时所述铺粉漏槽支座26下方的可调节刮刀28刮过工件表面使颗粒铺置均匀。所述铺粉漏槽27上方的蓄粉箱可采用双进口蓄粉箱，通过信号控制内部挡板转动，可以实现不同粉末的混合叠加。
可选地，所述铺粉漏槽支座26上沿着所述滑轨延伸方向对称设置有一对通孔，所述传送带24穿过所述通孔并与所述铺粉漏槽支座26固定连接。
可选地，所述铺粉漏槽支座26位于所述传送带24的下方，所述铺粉漏槽27与所述铺粉漏槽支座26可拆卸连接。
可选地，所述回转移动装置1包括回转主轴11、加工平台12、步进电机13，所述底座6上转动设置有回转主轴11，所述回转主轴11上端固定安装有所述加工平台12，所述步进电机13能够驱动所述回转主轴11转动，所述加工平台12上设置有所述圆轨道122和工件安装台123，所述工件安装台123底部安装有滑轮，所述滑轮能够带动所述工件安装台沿着所述圆轨道122进行滑动。
可选地，所述喷漆装置3包括六自由度的喷漆机械臂31、内部驱动装置、喷头32、送漆管33，所述喷漆机械臂31固定连接在所述底板6上，所述喷漆机械臂31的前端固定连接有所述喷头32，所述送漆管33一端固定连接所述喷头32，一端装置外含泵的蓄漆箱相连。
所述喷漆装置3由所述喷漆机械臂31内的电机提供动力，六自由度的喷漆机械臂31控制喷头32在工件表面均速运动，黑漆通过送漆管到喷头33，均匀的喷涂在工件表面。
可选地，所述激光冲击装置4包括光学支撑平台41、第一光学镜片42、第二光学镜片43、第三光学镜片44、光学镜片支座45和激光器46，所述光学支撑平台41固定在所述底板6上，所述光学镜片支座45固定在所述光学支撑平台上，所述激光器46安置在光学支撑平台41上，所述激光器46发射的激光通过光学镜片能够照射到所述激光喷丸工位上。
激光冲击装置由激光器产生并发射激光束，经过第一光学镜片42、第二光学镜片43、第三光学镜片44的传导，穿过光学支撑平台41上预留的方形开孔，作用在已铺置微纳颗粒且喷涂黑漆的工件表面，等黑漆干燥后，清洗机械臂51调整于加工平台上方，用水流作为约束层，利用激光的力效应将微纳颗粒冲击挤压进金属工件表面，形成均匀的表面微结构。
可选地，所述清洗装置5包括清洗机械臂51、内部驱动装置、清洗喷头52、送水管53，六自由度的所述清洗机械臂51固定连接在所述底板6上，所述清洗喷头52固定连接在所述清洗机械臂51的前端，所述送水管53一端固定连接清洗喷头52，一端装置外含泵的蓄水箱相连。
所述清洗装置5由机械臂内的电机提供动力，先从激光冲击工位回复至清洗工位，再由六自由度的所述清洗机械臂51控制喷头52在工件表面均速运动，清水通过送水管到喷头52，调节水流压力，冲洗掉工件表面残留的微纳颗粒和黑漆。
在激光冲击时，清洗机械臂51转至激光冲击工位，流出低压水流作为激光冲击的约束层；在清洗时，清洗机械臂51转至清洗工位，增大水压清洗加工件。
第二方面，本发明提供一种金属表面多级超疏水结构的制备方法，所述金属为铝、铝合金、铜或铜合金的一种，包括以下步骤：
步骤1：去除金属表面的氧化层，打磨抛光后对金属合金表面进行清洗；
步骤2：将金属工件放置在回转移动装置的工作安装台上进行固定；
步骤3：转动加工平台使所述工件进入铺粉工位，所述铺粉单元的伺服电机通过带轮转动带轮带动传送带移动，所述铺粉漏槽随所述传送带在工件表面移动，将微纳米颗粒均匀铺置在工件表面，所述可调节铺粉刮刀将所述微纳米颗粒层厚度控制在0.1～0.2mm；
步骤4：所述回转移动装置将经铺粉处理的工件送入喷漆工位，所述喷漆机械臂带动喷漆喷头将黑漆均匀地喷涂到工件表面，喷涂厚度为0.01～0.02mm；
步骤5：所述回转移动装置将经喷涂的工件送入进入激光冲击工位，清洗机械臂带动清洗喷头移动到激光冲击工位，减小水压使其流出2mm的流动水帘，激光冲击单元的激光器发射激光束，对工件表面的微纳颗粒进行冲击；
步骤6：所述回转移动装置将经激光冲击的工件送入清洗工位，所述清洗机械臂回到清洗工位，增大水压使清洗喷头按对工件表面进行清洗，冲洗掉工件表面残留的微纳颗粒和黑漆；
步骤7：对工件表面激光冲击微纳米颗粒后形成的超疏水表面；
步骤8：对经激光冲击后的工件进行后续热处理。
激光冲击是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>10K)、高压(>1GPa)等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生垂直于材料表面的压应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。激光冲击已应用于飞机发动机叶片的强化，能显著提高叶片的疲劳寿命。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，包括底座和设置在底座上的回转移动装置、铺粉装置、喷漆装置、激光冲击装置、清洗装置；所述铺粉装置、所述喷漆装置、所述激光冲击装置、所述清洗装置依次设置在所述回转移动装置的周围，所述回转移动装置上设置有铺粉工位、喷漆工位、激光冲击工位、清洗工位；
所述铺粉装置包括支撑平台、带轮支座、四个带轮、传送带、伺服电机、铺粉漏槽支座、铺粉漏槽、可调节铺粉刮刀；四个所述带轮支座呈矩形布置在所述支撑平台上，所述带轮支座上转动设置有带轮，所述带轮包括两个主动轮和两个从动轮，所述主动轮和从动轮之间通过所述传送带连接，所述支撑平台上表面设置有滑轨，所述传送带的传输方向与所述滑轨方向平行；所述铺粉漏槽支座的底部与所述滑轨滑动连接，所述铺粉漏槽支座上方安装有所述铺粉漏槽，在所述铺粉漏槽支座上与所述传送带固定连接，两个所述主动带轮中心设置有回转轴，所述带轮伺服电机与所述回转轴固定连接；所述可调节铺粉刮刀设置在所述铺粉漏槽支座下方。
2.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述铺粉漏槽支座上沿着所述滑轨延伸方向对称设置有一对通孔，所述传送带穿过所述通孔并与所述铺粉漏槽支座固定连接。
3.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述铺粉漏槽支座位于所述传送带的下方，所述铺粉漏槽与所述铺粉漏槽支座可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述回转移动装置包括底座、回转主轴、滑轨、加工平台、步进电机，所述底座上转动设置有回转主轴，所述回转主轴上端固定安装有所述加工平台，所述步进电机能够驱动所述回转主轴转动，所述加工平台上设置有所述滑轨和工件安装台，所述工件安装台底部安装有滑轮，所述滑轮能够带动所述工件安装台沿着所述滑轨进行滑动。
5.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述喷漆装置包括六自由度的喷漆机械臂、内部驱动装置、喷头、送漆管，所述喷漆机械臂固定连接在底板上，所述喷漆机械臂的前端固定连接有所述喷头，所述送漆管一端固定连接所述喷头，一端装置外含泵的蓄漆箱相连。
6.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述激光冲击装置包括光学支撑平台、第一光学镜片、第二光学镜片、第三光学镜片、光学镜片支座和激光器，所述光学支撑平台固定在底板上，所述光学镜片支座固定在所述光学支撑平台上，所述激光器安置在光学支撑平台上，所述激光器发射的激光通过光学镜片能够照射到所述激光喷丸工位上。
7.根据权利要求1所述的金属表面多级超疏水结构的加工系统，其特征在于，所述清洗装置包括清洗机械臂及内部驱动装置、清洗喷头和送水管，所述六自由度清洗机械臂固定连接在所述底板上，所述清洗喷头固定连接在所述清洗机械臂的前端，所述送水管一端固定连接清洗喷头，一端装置外含泵的蓄水箱相连。
8.一种金属表面多级超疏水结构的制备方法，所述方法采用权利要求1所述加工系统制备，其特征在于，所述金属为铝、铝合金、铜或铜合金的一种，包括以下步骤：
步骤1：去除金属表面的氧化层，打磨抛光后对金属合金表面进行清洗；
步骤2：将金属工件放置在回转移动装置的工作安装台上进行固定；
步骤3：转动加工平台使所述工件进入铺粉工位，所述铺粉单元的伺服电机通过带轮转动带轮带动传送带移动，所述铺粉漏槽随所述传送带在工件表面移动，将微纳米颗粒均匀铺置在工件表面，所述可调节铺粉刮刀将所述微纳米颗粒层厚度控制在0.1～0.2mm；
步骤4：所述回转移动装置将经铺粉处理的工件送入喷漆工位，所述喷漆机械臂带动喷漆喷头将黑漆均匀地喷涂到工件表面，喷涂厚度为0.01～0.02mm；
步骤5：所述回转移动装置将经喷涂的工件送入进入激光冲击工位，清洗机械臂带动清洗喷头移动到激光冲击工位，减小水压使其流出2mm的流动水帘，激光冲击单元的激光器发射激光束，对工件表面的微纳颗粒进行冲击；
步骤6：所述回转移动装置将经激光冲击的工件送入清洗工位，所述清洗机械臂回到清洗工位，增大水压使清洗喷头按对工件表面进行清洗，冲洗掉工件表面残留的微纳颗粒和黑漆；
步骤7：对工件表面激光冲击微纳米颗粒后形成的超疏水表面；
步骤8：对经激光冲击后的工件进行后续热处理。
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