CN115846879A - 高吸收率的金属表面处理方法及吸收陷光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高吸收率的金属表面处理方法及吸收陷光结构，所述方法包括(ⅰ)对待加工金属工件表面进行预处理，使表面满足激光刻蚀操作要求；(ⅱ)采用激光对金属工件表面进行刻蚀，使金属工件表面形成凹陷阵列形貌；(ⅲ)对刻蚀后的金属工件表面进行清洁；(ⅳ)利用激光增材制造方法，在刻蚀后的金属工件表面形成熔覆层；(v)熔覆层在激光刻蚀的凹陷处对应位置形成宽度/内径小于凹陷开口的通沟槽/孔。本发明结合激光刻蚀技术与激光增材制造技术，制备出上窄下宽的微沟槽/微孔洞阵列，使得光线进去后不易反射出来，提高金属表面的陷光能力，从而增强金属表面吸收率，克服现有激光刻蚀增强金属表面上宽下窄或上下宽度一致的微沟槽/微孔洞导致的吸收率不够高的不足。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种高吸收率的金属表面处理方法及吸收陷光结构。
背景技术
金属作为工程应用中最常用的材料，其表面特性对工程应用具有很大的影响。其中，对金属表面进行处理，以增强其表面的吸收率在工程中具有广泛的应用。目前，常用的增强金属表面吸收率的方法主要包括对金属表面做完全黑化处理以及采用刻蚀等技术形成粗糙表面。
在对金属表面进行完全黑化处理方面，目前多采用氧化涂层的技术方案，如专利CN109280949A“一种轻合金表面黑色热控涂层的制备方法”以及专利CN112941500A“一种金属的表面发黑处理工艺”等均采用此种方法。其中，专利CN109280949A以铝合金﹑镁合金、钛合金中的一种金属作为阳极，不锈钢作为阴极，采用微弧氧化处理方法实现对金属表面的完全黑化处理，该专利所述电解液中包括特定成分的成膜剂、着色剂、稳定剂、PH调节剂等，其成分及浓度均需严格控制；而专利CN112941500A采用主要成分为氢氧化钠和亚硝酸钠的发黑液，在135℃～155℃的温度区间内对金属表面进行黑化处理，加工步骤包括清洗、脱脂、水洗、酸洗、第二次水洗、发黑以及第三次水洗等操作。上述专利的不足之处在于所述方法会引入杂质且对环境产生污染，因此在一些工程应用中不适用。
另一种增强金属表面吸收率的方法为采用刻蚀技术在金属工件表面制备微沟槽/微孔洞阵列结构形成粗糙表面。由于该种方法主要是依靠微沟槽或微孔洞的陷光作用使得光被多次吸收以增强金属表面吸收率，因此能够适用于大多数的工程应用环境，具有更高的稳定性，使其成为增强金属表面吸收率研究与应用中的另一种新兴方法。激光是制备这种微沟槽/微孔洞的最有前景的方法。目前，国内外研究及专利主要以脉冲激光特别是飞秒或皮秒激光器对金属表面进行刻蚀，获得一定形状和排布的微沟槽/微孔洞。为了提高表面微沟槽/微孔洞对光的吸收率，人们在研究与工程应用中多采用形貌较为复杂并且尺寸较小的微沟槽/微孔洞。例如专利CN107824963A“提高高反射金属表面激光吸收率的方法”以及专利CN110376668A“一种微纳吸收陷光结构”等均采用该种方案。其中，专利CN107824963A提出以515nm皮秒脉冲绿激光在金属表面构造平行凹槽织构或十字凹槽织构，以增强金属表面吸收率。
然而，激光刻蚀所得到的微沟槽/微孔洞的横断面形状为上宽下窄的“V”形或上下宽窄相同的“U”形，当光线入射到该微沟槽/微孔洞后，虽然光线会被多次反射增强吸收，但由于微沟槽/微孔洞开口较宽，反射光易从微沟槽/微孔洞开口中出射出去，使得反射次数有限，陷光能力不足，吸收率不够高。专利CN110376668A采用粗糙化的沟槽壁以及沟槽中所放置的多层微纳结构组成微孔洞，旨在增加光线在沟槽内的反射次数，进一步提高表面吸收率。然而，由于该专利所述结构仍为上宽下窄的沟槽结构，因而其对吸收率的提高作用同样有限。此外，该专利所述粗化沟槽壁在沟槽尺寸小时制备难度大，而沟槽尺寸大时，整个工件表面的陷光能力又会被削弱，因此依然难以获得高吸收率的表面。此外，该专利中并未给出如何制备沟槽中的微纳结构。
综上，采用激光刻蚀形成微沟槽/微孔洞阵列的粗糙表面，通过其陷光作用提高吸收率，但是由于这种微沟槽/微孔洞横断面形状是上宽下窄的“V”形或上下宽窄相同的“U”形，其陷光能力不足，难以获得高吸收率的表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高吸收率的金属表面处理方法及吸收陷光结构，以解决上述存在的一个或多个技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高吸收率的金属表面处理方法，包括以下步骤：
(ⅰ)对待加工金属工件表面进行预处理，使表面满足激光刻蚀操作要求；
(ⅱ)采用激光对金属工件表面进行刻蚀，使金属工件表面形成凹陷阵列形貌；
(ⅲ)对刻蚀后的金属工件表面进行清洁；
(ⅳ)利用激光增材制造方法，在刻蚀后的金属工件表面形成熔覆层；所述熔覆层在凹陷的上方具有一一对应的通沟槽/孔，且通沟槽/孔宽度/孔径小于凹陷开口宽度/内径。
在上述技术方案中，所述步骤(ⅰ)的预处理包括清洁、喷砂或打磨处理中的任意一种或多种，使工件表面适合激光刻蚀。
在上述技术方案中，所述步骤(ⅱ)的激光为脉冲或准连续激光，以规则的扫描路径在金属工件表面进行刻蚀。
在上述技术方案中，所述步骤(ⅱ)激光刻蚀中，激光束的扫描间距略大于凹陷顶端开口宽度/内径。
在上述技术方案中，在所述步骤(ⅳ)激光增材制造方法前，首先根据刻蚀所得凹陷阵列形貌建立激光增材制造CAD模型，在凹陷阵列位置对应处设置通沟槽/孔，其宽度/孔径小于凹陷开口宽度/内径。
在上述技术方案中，所述激光增材制造方法根据加工金属工件的尺寸和材料特性确定。
在上述技术方案中，所述激光增材制造方法为当今送丝、送粉或者铺粉激光增材制造技术。
一种吸收陷光结构，包括形成于基底层表面的多个凹陷，所述基底层上方形成熔覆层，熔覆层上形成多个通沟槽/孔，通沟槽/孔与凹陷一一对应设置，且通沟槽/孔的宽度/内径小于凹陷最顶端开口的宽度/内径。
在上述技术方案中，多个所述凹陷呈阵列分布，凹陷为沟槽或孔洞，所述沟槽或孔洞的为上宽下窄的V形或者上下宽窄一致的U形，且沟槽或孔洞宽度/内径为微米～毫米级。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种激光增强金属表面吸收率的处理方法，结合激光刻蚀技术与激光增材制造技术，制备出上窄下宽的微沟槽/微孔洞阵列的高吸收陷光结构，提高金属表面的陷光能力，从而增强金属表面吸收率，克服现有激光刻蚀增强金属表面所形成的V形及U形微沟槽/微孔洞导致的吸收率不够高的不足。
附图说明
图1是传统吸收陷光结构的结构示意图(a.V形凹陷；b.U形凹陷)；
图2是本发明高吸收陷光结构的结构示意图(a.V形凹陷；b.U形凹陷)；
图3是本发明实施例1激光刻蚀后凹陷沟槽的SEM图片。
其中：
1基底层 2凹陷
3熔覆层 4通沟槽/孔。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种高吸收率的金属表面处理方法，包括以下步骤：
(ⅰ)对待加工金属工件表面进行清洁、喷砂、脱脂或打磨处理中的一种或多种预处理，使工件表面满足清洁、平整的激光刻蚀操作要求；
所述预处理包括但不限于对待加工金属工件表面进行清洁，可更加金属工件表面实际情况选择是否进行喷砂或打磨等操作；
所述清洁处理的方法可以为：用酒精对金属工件表面进行清洁，去除基底层表面的灰尘、油脂以及其他或对加工产生影响的因素。
(ⅱ)采用激光对金属工件表面进行刻蚀，使金属工件表面形成凹陷阵列形貌；
所述激光为脉冲或准连续激光，以规则的扫描路径在金属工件表面进行刻蚀；
激光刻蚀中，激光束的扫描间距略大于凹陷顶端开口宽度/内径，为0.05mm～3mm。所获得微沟槽/微孔洞为规则排布的阵列结构。
在进行激光刻蚀时，为防止由刻蚀加工而产生的变形，针对工件形状设计夹具对金属工件进行固定；
针对加工面积较大的工件，采用分区刻蚀并配合位移平台进行精确加工；
典型工艺参数如下：扫描路径为平行线，激光脉冲宽度100ns，单脉冲能量670μJ，扫描速度100mm/s，扫描间距0.1mm，所形成的不锈钢板凹陷沟槽，其横断面形状为U形，深度为686μm，顶端开口宽度为71μm，凹陷沟槽的扫描电镜图如图3所示。
(ⅲ)根据刻蚀所得凹陷阵列形貌设计合适的增材制造模型，该模型在刻蚀所得凹陷上方留有对应的尺寸小于凹陷开口的通孔沟槽/孔；
设计增材制造模型具体为建立激光增材制造CAD模型；
(ⅳ)对刻蚀后的金属工件表面进行清洁，清除由激光刻蚀而产生并附着在工件表面的残渣和颗粒。
(ⅴ)利用激光增材制造方法，在刻蚀后的金属工件表面形成熔覆层，熔覆层在凹陷的上方具有一一对应的通沟槽/孔，且通沟槽/孔尺寸小于凹陷开口；
激光增材制造方法根据加工金属工件的尺寸、材料等特性选择合适的增材制造方法。
所述激光增材制造方法可以是当今送丝、送粉或者铺粉激光增材制造技术，所采用的材料可以是与工件一样的，也可以不一样的。
以不锈钢工件为例，典型的激光增材制造工艺为：采用粉末床激光熔化成形技术和同种不锈钢金属粉末，CAD模型中沟槽宽度为0.05mm，采用激光功率300W，扫描速度1000mm/s，扫描间距0.12mm，铺粉层厚为40μm工艺按照CAD模型进行扫描，一层扫描完成后即得到涂所示的上窄下宽的沟槽阵列，可以使不锈钢表面红外波段吸收率达到93％以上。
实施例2
通过实施例1方法获得的一种吸收陷光结构，如图2所示，吸收陷光结构包括形成于基底层1表面的多个凹陷2，所述基底层1上方形成熔覆层3，熔覆层3上形成多个通沟槽/孔4，通沟槽/孔4与凹陷2一一对应设置，且通沟槽/孔4的宽度/内径小于凹陷2顶端的开口宽度/内径。
多个所述凹陷2呈阵列分布，凹陷2为沟槽或孔洞，所述沟槽或孔洞的为上宽下窄的V形(图2a)或者上下宽窄一致的U形(图2b)，且沟槽或孔洞为微米～毫米级。
所述通沟槽/孔4包括各种形状的孔洞或者沟槽，可实现光线射入的任何贯穿结构均可。
本发明与传统激光刻蚀技术的工作原理对比：
如图1所示，传统激光刻蚀技术为：采用激光刻蚀技术在如图1所示的基底结构1上刻蚀出凹陷阵列，凹陷为微沟槽或微孔洞，由于刻蚀技术加工特点，其横断面呈现上宽下窄的V形或上下宽窄相同的U形沟槽/孔洞结构，当光线(图示中虚线)入射到金属表面后，光线能够在凹陷中被多次反射，使得金属表面吸收率得到了一定程度的提高，然而，由于此种凹陷上宽下窄或上下一般宽的结构形状特点，其开口较大，部分光线出射出沟槽/孔洞，凹陷对入射光线的陷光作用有限，光线从凹陷的大开口出射，导致其陷光能力不足。因此，单一由激光刻蚀技术所得V形或U形凹陷对金属表面的吸收率的提高作用有限。
而本发明引入了激光增材制造步骤，在利用激光刻蚀技术在金属工件的表面(基底层)获得凹陷结构后，再利用激光增材制造技术在金属表面获得熔覆层，熔覆层在凹陷的上方留有宽度/孔径小于凹陷开口的沟槽或孔洞，因而可以在金属表面获得了如图2所示的上窄下宽的凹陷阵列。
由图1与图2的对比可以看出，在图2所示的凹陷中，由于该微沟槽/孔洞具有上窄下宽的结构特点，光线入射后在凹陷中反射多次，从凹陷的大开口出射时被熔覆层的底面限制而在这种凹陷中产生了更多次的反射，因此进一步提高了光线在凹陷内的反射次数，提高金属表面凹陷的陷光能力，使得金属表面吸收率大幅度提高。
本发明所提出的技术方案由激光刻蚀技术与激光增材制造技术组合而成，采用上窄下宽的微沟槽/微孔洞阵列的强陷光作用极大增强金属工件表面的吸收率。相较于利用单一激光刻蚀技术以及单一采用激光增材制造技术所进行的微沟槽/微孔洞阵列结构，本发明所提出的技术方案在陷光能力、加工成本和加工效率上都得到了加强。同时，由于在技术方案中采用了激光增材制造技术，因此，本发明灵活性更强，能够很好的适应不同形貌的刻蚀微沟槽/微孔洞，以及不同表面材料，具有较强的泛用性。此外，本发明增强金属表面吸收率的处理方法主要基于微沟槽/孔洞阵列的陷光作用，其能够适应不同应用环境，所得金属表面具有更高的稳定性。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)对待加工金属工件表面进行预处理，使表面满足激光刻蚀操作要求；(ⅱ)采用激光对金属工件表面进行刻蚀，使金属工件表面形成凹陷的微沟槽/孔洞阵列形貌；
(ⅲ)对刻蚀后的金属工件表面进行清洁；
(ⅳ)利用激光增材制造方法，在刻蚀后的金属工件表面形成熔覆层；所述熔覆层在凹陷的上方具有一一对应的通沟槽/孔，且通沟槽/孔宽度/孔径小于刻蚀的凹陷开口宽度/内径。
2.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：所述步骤(ⅰ)的预处理包括清洁、喷砂或打磨处理中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：所述步骤(ⅱ)的激光为脉冲或准连续激光，以规则的扫描路径在金属工件表面进行刻蚀。
4.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：所述步骤(ⅱ)激光刻蚀中，激光束的扫描间距大于凹陷顶端开口宽度。
5.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：在所述步骤(ⅳ)激光增材制造方法前，首先根据刻蚀所得凹陷阵列形貌建立激光增材制造CAD模型。
6.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：所述激光增材制造方法根据加工金属工件的尺寸和材料特性确定。
7.根据权利要求6所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：所述激光增材制造方法为当今送丝、送粉或者铺粉激光增材制造技术。
8.一种吸收陷光结构，其特征在于：通过权利要求1～7之一所述方法获得。
9.一种吸收陷光结构，包括形成于基底层(1)表面的凹陷(2)，其特征在于：所述基底层(1)上方形成熔覆层(3)，熔覆层(3)上形成多个通沟槽/孔(4)，通沟槽/孔(4)与凹陷(2)一一对应且位于凹陷(2)的上方，通沟槽/孔(4)的宽度/宽度/内径小于凹陷(2)顶端的开口宽度/内径。
10.根据权利要求1所述的高吸收率的金属表面处理方法，其特征在于：多个所述凹陷(2)呈阵列分布，凹陷(2)为沟槽或孔洞，所述沟槽或孔洞横断面形状为上宽下窄的V形或者上下宽窄一致的U形，且沟槽或孔洞宽度/内径为微米～毫米级。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117802495A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-04-02 | 芜湖舍达科技有限公司 | 一种铁基耐磨抗腐蚀激光熔覆涂层材料及制备方法 |
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2022
- 2022-12-21 CN CN202211649746.6A patent/CN115846879A/zh active Pending
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