CN115652226A - 纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法，属于激光表面改性技术领域。该方法步骤为：在纳秒激光加工系统中设定不同功率和扫描速度；将表面抛光成镜面的非晶合金在空气中进行多线搭接激光辐照；将激光辐照后的试样进行低温退火处理；之后对试样表面进行接触角和滚动角的测量；选择表面质量较好，且接触角较大和滚动角较小的试样进行电化学和抗结冰试验。本发明为提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能提供了一种新方法，有助于非晶合金作为结构和功能材料在极端条件下的应用。该方法的优点在于：不受材料基体元素组成限制，适用范围广，简单高效，可低成本提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法。本发明为提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能提供了一种新方法，有助于非晶合金作为结构和功能材料在极端条件下的应用。
背景技术
腐蚀和结冰是自然界中两种常见的现象。由于大气环境中离子和水蒸气的存在，金属腐蚀是不可避免的。腐蚀会严重降低金属的强度，破坏金属部件的几何形状。此外，地球上的金属资源是有限的，金属的腐蚀加速了自然资源的损耗。而结冰会给人类的生产和生活带来许多不便和危害。例如，结冰会增加输电线路的自重，严重时可能导致整个输电网络的瘫痪；机翼在高空遇到过冷水滴时容易结冰，会影响飞机的升力系数，甚至造成严重的空难。因此，提升金属材料抗腐蚀抗结冰性能有利于国民生产和经济建设。通常，金属的腐蚀保护是通过引入保护涂层来实现的。基于水热法，在金属基底上可以制备具有较强结合强度的层状双氢氧化膜，为腐蚀介质侵入金属提供了保护屏障。然而，这种技术只适用于镁、铝基金属及其合金。通过电沉积技术，虽然可以在任何金属表面引入防腐涂层，但是通常防腐涂层与基材之间具有成分的差异，因此结合强度相对较弱。至于防冰，几种典型的主动除冰策略，如机械和电加热方法，已经应用在实际生产生活中。与主动除冰的方法相比，很显然如果材料表面的水在低温条件下不容易被冻结更具有意义。而非晶合金作为一种高强度、高硬度和高弹性极限的新兴材料，已被广泛应用于体育装备、医疗设备和宇航工程。提高非晶合金的抗腐蚀和抗结冰能力将进一步扩大其在极端条件下作为结构和工程材料的应用。为此，目前急需一种不受材料基体元素组成限制，适用范围广，简单高效，可低成本同时提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能，提供了一种纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法，解决了现有技术存在的不足，本发明有助于非晶合金作为结构和功能材料在极端条件下的应用。为了实现本发明的上述目的，采用的具体方案为：
首先在纳秒激光加工系统中设定不同功率和扫描速度，然后将表面抛光成镜面的非晶合金在空气中进行多线搭接激光辐照，之后将激光辐照后的试样进行低温退火处理，低温退火处理后的试样表面进行接触角和滚动角的测量，根据接触角和滚动角的测量结果，选择表面质量较好，且接触角较大和滚动角较小的试样进行电化学和抗结冰试验。
作为对上述方案的进一步优化，所述的纳秒激光加工系统光斑直径为43μm，脉宽为230ns，频率为50kHz，波长为1064nm；所述激光功率为3.3,3.7,4.0W，所述的扫描速度为10，20，50，100mm/s。
作为对上述方案的进一步优化，所述的多线搭接激光辐照的线间距为20μm。
作为对上述方案的进一步优化，所述的低温退火条件为200℃，时间为1小时。
作为对上述方案的进一步优化，所述的进行接触角和滚动角测量的液体为5μL的去离子水。
所述的电化学试验为极化曲线测试,扫描速度为0.5mV/s,所用溶液为3.5wt％的NaCl溶液；所述的抗结冰试验包括水的结冰时间和结冰温度的测量，测试条件为：试样表面以0.15℃/s的降温速度从25℃降低到-20℃；水的结冰时间定义为：水滴滴在试样表面至完全结冰所用的时间，水的结冰温度定义为：水滴滴在试样表面至完全结冰所对应的温度。
由于采用了上述工艺方案，本发明具有以下优点：不受材料基体元素组成限制，适用范围广，简单高效，可低成本同时提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能。
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为本发明案例1-7所对应的激光加工参数；
图2为本发明进行多线搭接激光辐照的路线图；
图3为本发明案例2-4所对应激光辐照表面的扫描电镜形貌图；
图4为本发明案例5-7所对应激光辐照表面的扫描电镜形貌图；
图5为本发明案例1-7所对应原始抛光表面和退火处理后激光辐照表面的接触角统计图；
图6为本发明案例3-6所对应超疏水表面的滚动角统计图；
图7为本发明电化学试验的极化曲线图；
图8为本发明抗结冰试验水滴形貌动态变化图。
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，但本发明的内容不局限于此，所述实验方法若无特别说明均为常规方法，所述材料和试剂若无特殊说明可从普通渠道获得。
一种纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法，包括如下步骤：
(1)在纳秒激光加工系统中设定不同功率和扫描速度，激光加工参数如图1所示；
(2)将表面抛光成镜面的非晶合金在空气中进行多线搭接激光辐照，辐照路径如图2所示，激光辐照的线间距为20μm；案例2-7所对应的表面形貌如图3和4所示；
(3)对步骤(2)激光辐照后的试样进行低温退火处理，退火温度为为200℃，时间为1小时；
(4)对步骤(3)低温退火处理后的试样表面进行接触角和滚动角的测量，所用液体为去离子水，体积为5μL，接触角和滚动角的统计结果如图5和6所示；(5)根据步骤(4)接触角和滚动角的测量结果，选择表面质量较好，且接触角较大和滚动角较小案例3所对应的试样进行电化学和抗结冰试验；极化曲线如图7所示，水滴形貌动态变化如图8所示，相比于案例1所对应的原始抛光表面，案例3所对应的激光辐照表面腐蚀电流密度较小，且水滴的结冰时间和和结冰温度均得到了延迟，表明非晶合金抗腐蚀和抗结冰性能均得到了显著提升。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用作限制本发明。由本发明精神所引伸出的显而易见的变化或改动仍处于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种纳秒激光辐照提升非晶合金抗腐蚀抗结冰性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在纳秒激光加工系统中设定不同功率和扫描速度；
(2)将表面抛光成镜面的非晶合金在空气中进行多线搭接激光辐照，其激光加工参数对应于步骤(1)；
(3)对步骤(2)激光辐照后的试样进行低温退火处理；
(4)对步骤(3)低温退火处理后的试样表面进行接触角和滚动角的测量；
(5)根据步骤(4)接触角和滚动角的测量结果，选择表面质量较好，且接触角较大和滚动角较小的试样进行电化学和抗结冰试验。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纳秒激光加工系统光斑直径为43μm，脉宽为230ns，频率为50kHz，波长为1064nm；所述激光功率为3.3,3.7,4.0W，所述的扫描速度为10，20，50，100mm/s。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多线搭接激光辐照的线间距为20μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的低温退火条件为200℃，时间为1小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的进行接触角和滚动角测量的液体为5μL的去离子水。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电化学试验为极化曲线测试,扫描速度为0.5mV/s,所用溶液为3.5wt％的NaCl溶液；所述的抗结冰试验包括水的结冰时间和结冰温度的测量，测试条件为：试样表面以0.15℃/s的降温速度从25℃降低到-20℃；水的结冰时间定义为：水滴滴在试样表面至完全结冰所用的时间，水的结冰温度定义为：水滴滴在试样表面至完全结冰所对应的温度。
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