CN116265596B - 利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法及防腐蚀铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法及防腐蚀铝合金，其中的方法包括如下步骤：S1、根据确定激光加工参数对铝合金表面进行加工形成微纳双层级形貌结构，同时在铝合金表面原位生成具有抗腐蚀性的晶态和非晶态金属氧化物陶瓷；S2、采用聚焦超快激光能量密度逐渐变化的多次扫描加工方式，多次对铝合金表面进行加工，直至微纳双层级形貌结构变为多层级微纳形貌结构并使得铝合金表面致密分布的金属氧化物陶瓷达到饱和；S3、对超快激光加工后的铝合金进行超声清洗，再对超声清洗后的铝合金进行退火处理，通过降低铝合金表面的表面能，使得铝合金表面具有超疏水效应。本发明具有优秀的耐腐蚀性质，同时还具有耐久的疏水性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法及防腐蚀铝合金。
背景技术
近年来，随着人类进入新的空间大开发时代，海洋、太空、极地等新兴领域的竞争性开发利用，既为人类开辟了无可估量的发展前景，也带来了前所未有的安全挑战。海洋环境中因海水冲击、海水腐蚀、盐雾影响、强烈暴晒、海洋生物附着腐蚀等不利因素的存在，导致海洋中的设备与船体常年受到侵蚀破坏，焊缝开裂、舱体腐蚀减薄等影响安全作业的情况时有发生。保护设备与船体不被破坏，提高金属材料的海水抗腐蚀性能至关重要。目前，海洋工程中使用的金属材料是通过涂覆缓蚀剂和有机涂层的方式增强金属材料的抗腐蚀性能，但是由于有机涂层与金属材料间的粘附性不够以及涂层本身存在微裂纹和气泡等问题，会使腐蚀性物质(如O2、H2O、Cl-等)渗透到金属材料中，使涂层发生降解，长此以往导致涂层失效，金属材料加速腐蚀，产生安全隐患。所以急需开发出一种无需涂层即可实现提升金属材料防腐性能的新方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法及防腐蚀铝合金，通过采用聚焦超快激光能量密度逐渐变化的多次扫描加工方式在材料表面加工形成具有微纳结构形貌的晶态和非晶态氧化物陶瓷，再结合退火处理实现的超疏水效应，共同达到对海水腐蚀有效防护的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，包括如下步骤：
S1、搭建超快激光加工装置，确定激光加工参数，激光加工参数包括激光功率、加工速度、扫描间距和样品离焦距离；
S2、根据确认的激光加工参数，利用超快激光对铝合金表面进行加工形成微纳双层级形貌结构，同时在铝合金表面原位生成具有抗腐蚀性的晶态和非晶态金属氧化物陶瓷；
S3、采用聚焦超快激光能量密度逐渐变化的多次扫描加工方式，多次对铝合金表面进行加工，直至微纳双层级形貌结构变为多层级微纳形貌结构并使得铝合金表面致密分布的金属氧化物陶瓷达到饱和；其中，多层级微纳形貌结构在微米尺度上以紧密排列的面包状分布在铝合金表面，面包状结构由致密分布的纳米级针状结构组成；纳米级针状结构又由纳米级的颗粒状结构组成；
S4、对超快激光加工后的铝合金进行超声清洗，再对超声清洗后的铝合金进行退火处理，通过降低铝合金表面的表面能，使得铝合金表面具有超疏水效应。优选地，铝合金为6061铝合金。
优选地，金属氧化物陶瓷包括晶态氧化铝陶瓷和非晶态氧化铝陶瓷，晶态氧化铝陶瓷包括α相氧化铝陶瓷和γ相氧化铝陶瓷。
优选地，在步骤S4中，退火温度为50-400℃，退火时间为0.5-10h，升温速度为0.5-10℃/min。
优选地，在步骤S1之前，还包括如下步骤：
S0、利用砂纸对铝合金的表面进行抛光处理，采用去离子水对抛光后的铝合金进行超声清洗，并用氮气吹干。
本发明提供的防腐蚀铝合金，由上述的方法制备而成。
与现有的激光防腐方法相比，本发明能够取得如下技术效果：
1、利用在铝合金表面生成的金属氧化物陶瓷降低铝合金与海水发生化学置换反应的能力。
2、铝合金表面形成的多层级微纳形貌结构能够有效地捕获空气，有效减少液/固接触面积。
3、对表面形成多层级微纳结构的铝合金进行退火处理，通过降低表面能，使得铝合金表面与水的接触角为150°左右，使表面具有超疏水效应。
4、本发明通过超快激光对铝合金表面进行直接加工的方式，使铝合金表面具有抗腐蚀性，无需额外的化学修饰涂层，避免出现海洋环境污染的问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法的流程图；
图2是根据本发明实施例2提供的超快激光在6061铝合金表面加工获得的多层级微纳结构的扫描电子显微图；
图3是根据本发明实施例1-4提供的6061铝合金表面在激光加工前、后的X射线衍射图；
图4是根据本发明实施例1-4提供的6061铝合金样品表面在激光加工前、后的电化学测试曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的图标记表示。在相同的图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的铝合金防腐蚀方法的流程。
如图1所示，本发明实施例提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，包括如下步骤：
S1、搭建超快激光加工装置，确定激光加工参数，激光加工参数包括激光功率、加工速度、扫描间距和样品离焦距离。
首先，搭建超快激光加工装置，该装置由超快激光源、聚焦光学元件，精密三维移动平台和控制电脑等构成；然后，确定激光加工参数：包括选择合适的激光功率(或能量)、扫描速度、扫描间距和离焦距离(激光焦点到铝合金表面的距离)；最后将铝合金放在精密三维移动平台上，通过移动精密三维移动平台使超快激光源发出的超快激光聚焦至铝合金的表面。
S2、根据确认的激光加工参数，利用超快激光对铝合金表面进行加工形成微纳双层级形貌结构，同时在铝合金表面原位生成具有抗腐蚀性的晶态和非晶态金属氧化物陶瓷。
根据步骤S1确认的激光加工参数在铝合金表面加工形成微米和纳米双层级的沟槽，构成微纳双层级形貌结构，微纳双层级形貌结构能够捕获空气，减少液/固接触面积。
伴随着微纳双层级形貌结构的形成，在铝合金表面生成晶态和非晶态的金属氧化物陶瓷。在超快激光加工铝合金表面的过程中，激光作用引发的高温高压首先将铝合金表面转化为热熔氧化状态，处于热熔状态的铝合金表面通过氧化反应原位生长出金属氧化物陶瓷。
由于非晶态的金属氧化物陶瓷具有单一均匀的固体相，以及没有晶态的位错缺陷和晶界，将会导致铝合金的抗腐蚀性能增强。
由于金属氧化物陶瓷具有天然的抗腐蚀性能，因此可以降低铝合金表面与海水发生化学置换反应的能力。
本发明可以驱使精密三维移动平台进行平面的二维移动，实现激光对铝合金表面的二维扫描。
S3、采用聚焦超快激光能量密度逐渐变化的多次扫描加工方式，多次对铝合金表面进行加工，直至微纳双层级形貌结构变为多层级微纳形貌结构并使得铝合金表面致密分布的金属氧化物陶瓷达到饱和；其中，多层级微纳形貌结构在微米尺度上以紧密排列的面包状分布在铝合金表面，面包状结构由致密分布的纳米级针状结构组成；纳米级针状结构又由纳米级的颗粒状结构组成。
每改变一次超快激光能量密度，对铝合金的表面进行一次加工，以不同的超快激光能量密度对铝合金表面进行多次超快激光加工，能够使铝合金的表面最终形成致密分布的金属氧化物陶瓷和多层级微纳形貌结构。
金属氧化物陶瓷以晶态和非晶态形式生成在铝合金表面，这些金属氧化物陶瓷的含量随着激光照射次数的增加而逐渐提升，使金属氧化物陶瓷在铝合金的表面持续生长，尤其是高稳定性的晶态金属氧化物陶瓷会在铝合金表面不断增加。
S4、对超快激光加工后的铝合金进行超声清洗，再对超声清洗后的铝合金进行退火处理，通过降低铝合金表面的表面能，使得铝合金表面具有超疏水效应。
本发明通过对铝合金表面进行高温退火处理，降低铝合金表面的表面能，使铝合金的表面与海水的接触角在150°左右，铝合金的表面由亲水性转变为超疏水性，实现超疏水效应，从而防止铝合金表面被海水腐蚀。具体地，将铝合金放入真空干燥箱中进行退火，高温退火温度为50-400℃，退火时间为0.5-10h，升温速度为0.5-10℃/min。
经高温退火后的铝合金具有疏水效应，结合表面生成的金属氧化物陶瓷，共同实现对海水腐蚀抵抗的有效防护。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤S1之前，还可以包括如下步骤：
S0、利用砂纸对铝合金表面进行抛光处理，采用去离子水对抛光后的铝合金表面进行超声清洗，并用氮气吹干。
超声清洗所使用的溶液为乙醇或丙酮。步骤S0为可选步骤，其目的在于清洁铝合金表面，例如除去铝合金表面的油污和锈迹，露出洁净基体。本步骤为后续进行激光加工的前期处理步骤，如基体表面清洁度已经达到后续加工要求，本步骤可以省略。
本发明实施例提供的防腐蚀铝合金制备方法突破了传统技术中从外部引入物料的增材制造方式，通过超快激光加工改性过程在铝合金表面原位生成空间微纳结构化分布的晶态和非晶态金属氧化物陶瓷，这些金属氧化物陶瓷不仅与铝合金表面结合牢固，不易脱落，而且具有高硬度、高阻抗和高稳定性等特性，同时通过高温退火实现了铝合金表面的疏水效应，再次提升了铝合金表面的抗腐蚀性能，具有绿色环保、制备工艺简单、操作灵活和适用材料范围广泛等优点。
本发明实施例还提供一种防腐蚀铝合金，由上述的方法制备而成，在防腐蚀铝合金的表面形成有致密分布的金属氧化物陶瓷和多层级微纳形貌结构，金属氧化物陶瓷能够降低铝合金与海水发生化学置换反应的能力，多层级微纳形貌结构在微米尺度上以紧密排列的面包状分布在铝合金表面，面包状结构由致密分布的纳米级针状结构组成；纳米级针状结构又由数十纳米的颗粒状结构组成，表现出多层次和多级别效应，能够有效地捕获空气，有效减少液/固接触面积。
采用上述制备方法制备的防腐蚀铝合金可以广泛应用于水上陆上和空中等各种仪器设备和装备设施表面的防腐蚀作业中；同时，防腐蚀铝合金在防结冰、防霜冻等应用方面也有巨大潜力。
防腐蚀铝合金可以应用但不限于潜艇、舰船、飞机、钢架桥梁、高铁交通、电力铁塔等工程装备，对于解决在海洋和其它高湿环境中的表面腐蚀问题具有独特优势。
下面以几个具体实施例对本发明提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法进行说明。
实施例1
本发明实施例1提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，包括如下步骤：
S1、选择6061铝合金作为超快激光加工的金属材料。
S2、利用砂纸对6061铝合金表面进行抛光处理，然后采用去离子水对其进行超声清洗，并用氮气吹干。
S3、确定超快激光的加工参数及相关元件。
选定超快激光的加工功率为600mW，脉冲宽度为40fs，中心波长为800nm，脉冲频率为1kHz，样品扫描速度为1mm/s，扫描间距为60μm，聚焦光学元件为焦距为500mm的平凸透镜。
S4、将6061铝合金置于精密三维移动平台上，调整精密三维移动平台使超快激光聚焦至6061铝合金表面，利用步骤S3所确定的加工参数，在6061铝合金表面加工制备形成具有微米和纳米双层级的形貌结构，并原位生成具有抗腐蚀性能的晶态氧化铝陶瓷(包括α-Al2O3和γ-Al2O3)和非晶态氧化铝陶瓷，如图3所示。这在根本上有效降低了铝合金表面与海水之间的化学和电化学反应能力。
S5、对经过超快激光加工后的6061铝合金采用去离子水超声30分钟；再将超声清洗后的6061铝合金在真空干燥箱中进行200℃退火2小时，通过降低材料表面能获得疏水效应。
对退火后的6061铝合金进行电化学测试，表1(为6061铝合金表面在超快激光加工前、后的年腐蚀速率统计)所示，与未加工的6061铝合金相比较，激光加工后的6061铝合金的年腐蚀速率降低了1个数量级。如表2(为6061铝合金表面在电化学测试前的接触角测试结果统计)和表3(为6061铝合金表面在经历四次电化学测试后的接触角测试结果统计)所示，经过四次电化学循环腐蚀测试之后，该6061铝合金的接触角未发生明显降低，即疏水性能并未下降。这说明该6061铝合金不仅具有良好的耐腐蚀性，而且也具有持久疏水性能。
实施例2
本发明实施例2提供的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，包括如下步骤：
S1、重复实施例1中的步骤S1至步骤S4。
S2、调整精密三维移动平台，使激光焦点与6061铝合金的表面相距15.5mm，其他的加工参数不变，再次对6061铝合金表面进行加工。
在6061铝合金表面制备出多层级微纳结构，如图2所示，图2中的(b)为(a)的放大图，图2中的(c)为(b)的放大图，可以看出，多层级微纳形貌结构在微米尺度上以紧密排列的面包状分布在铝合金表面，面包状结构由致密分布的纳米级针状结构组成；纳米级针状结构又由数十纳米的颗粒状结构组成，表现出多层次和多级别效应，能够有效地捕获空气，有效减少液/固接触面积。
在6061铝合金表面持续原位生成具有抗腐蚀性能的晶态和非晶态氧化铝陶瓷(例如α-Al2O3、γ-Al2O3)，如图3所示，晶态和非晶态氧化铝陶瓷的衍射峰强均有明显增强。
S3、对经超快激光加工的6061铝合金采用去离子水超声30分钟；再将超声清洗后的6061铝合金在真空干燥箱中进行200℃退火2小时，通过降低材料表面能获得超疏水效应。
对退火后的材料进行电化学测试，如图4和表1(为6061铝合金表面在超快激光加工前、后的年腐蚀速率统计)所示，与未加工铝合金相比较，激光加工后的6061铝合金的年腐蚀速率降低了2个数量级。
如表2(为6061铝合金表面在电化学测试前的接触角测试结果统计)和表3(为6061铝合金表面在经历四次电化学测试后的接触角测试结果统计)所示，经过四次电化学循环腐蚀测试之后，该6061铝合金的接触角未发生明显降低，即疏水性能并未下降。这说明该6061铝合金不仅具有良好的耐腐蚀性，而且也具有持久的疏水性能。
实施例3
本发明实施例3提供的防腐蚀金属的制备方法，包括如下步骤：
S1、重复实施例2中的步骤S1和步骤S2。
S2、将激光功率调整为300mW，其他加工参数不变，第三次对6061铝合金表面进行加工。
在6061铝合金表面制备出多层次微纳结构，并在实施例1和实施例2生成的氧化铝陶瓷的基础上进一步强化并生成新的氧化铝陶瓷。如图3所示，晶态和非晶态氧化铝陶瓷的衍射峰强相对于实施例2持续增强。
S3、对经过超快激光加工的6061铝合金采用去离子水超声30分钟；再将超声清洗后的6061铝合金在真空干燥箱中进行200℃退火2小时，通过降低材料表面能获得超疏水效应。
对退火后的6061铝合金进行电化学测试，如图4和表1(为6061铝合金表面在超快激光加工前、后的年腐蚀速率统计)所示，与未加工铝合金相比较，激光加工后的6061铝合金的年腐蚀速率降低了3个数量级。
如表2和表3所示，经过四次电化学循环腐蚀测试之后，该6061铝合金的接触角未发生明显降低，即疏水性能并未下降。这说明该6061铝合金在具有良好的耐腐蚀性质的同时还具有耐久的疏水性。
实施例4
本发明实施例4提供的防腐蚀金属的制备方法，包括如下步骤：
S1、重复实施例3中的步骤S1和步骤S2。
S2、将激光功率调整为250mW，其他加工参数不变，第四次对6061铝合金表面进行加工。
在6061铝合金表面制备出多层次微纳结构，在上述样品表面制备出多层次微纳结构，并在实施例1至实施例3生成抗腐蚀的晶态和非晶态氧化铝陶瓷的基础上继续强化并产生新的晶态和非晶态氧化铝陶瓷。
S3、将激光功率调整为200mW，其他加工参数不变，第五次对6061铝合金表面进行加工。
经第五次激光加工后，在6061铝合金表面制备出多层级微纳形貌结构，并在6061铝合金表面持续原位生成具有抗腐蚀性的晶态和非晶态氧化铝陶瓷且同时进一步固化实施例3在6061铝合金表面原位生成的晶态和非晶态氧化铝陶瓷。如图3所示，晶态和非晶态氧化铝陶瓷的衍射峰强相对于实施例3继续增强。
S4、对经过超快激光加工的6061铝合金采用去离子水超声30分钟；再将超声清洗后的6061铝合金在真空干燥箱中进行200℃退火2小时，通过降低材料表面能的方式获得超疏水效应。
对退火后的6061铝合金进行电化学测试，如图4和表1(为6061铝合金表面在超快激光加工前、后的年腐蚀速率统计)所示，与未加工铝合金相比较，激光加工后的6061铝合金的年腐蚀速率降低了4个数量级。
如表2和表3所示，经过四次电化学循环腐蚀测试之后，该6061铝合金的接触角未发生明显降低，即疏水性能并未下降。这说明该6061铝合金在具有良好的耐腐蚀性质的同时还具有耐久的疏水性。
表1
| 年腐蚀速率(mm/y)*10-3 | |
| 未加工铝合金 | 59.212 |
| 实施例1 | 1.189 |
| 实施例2 | 0.589 |
| 实施例3 | 0.098 |
| 实施例4 | 0.003 |
表2
| 样品类型(电化学测试前) | 接触角 |
| 实施例1 | 149° |
| 实施例2 | 148° |
| 实施例3 | 148° |
| 实施例4 | 150° |
表3
| 样品类型(经历四次电化学测试后) | 接触角 |
| 实施例1 | 144° |
| 实施例2 | 142° |
| 实施例3 | 148° |
| 实施例4 | 136° |
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、搭建超快激光加工装置，确定激光加工参数，所述激光加工参数包括激光功率、加工速度、扫描间距和样品离焦距离；
S2、根据确认的激光加工参数，利用超快激光对铝合金表面进行加工形成微纳双层级形貌结构，同时在铝合金表面原位生成具有抗腐蚀性的晶态和非晶态金属氧化物陶瓷；
S3、采用聚焦超快激光能量密度逐渐变化的多次扫描加工方式，多次对铝合金表面进行加工，直至所述微纳双层级形貌结构变为多层级微纳形貌结构并使得铝合金表面致密分布的金属氧化物陶瓷达到饱和；其中，所述多层级微纳形貌结构在微米尺度上以紧密排列的面包状分布在所述铝合金表面，面包状结构由致密分布的纳米级针状结构组成；纳米级针状结构又由纳米级的颗粒状结构组成；
S4、对超快激光加工后的铝合金进行超声清洗，再对超声清洗后的铝合金进行退火处理，通过降低铝合金表面的表面能，使得铝合金表面具有超疏水效应。
2.如权利要求1所述的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，其特征在于，所述铝合金为6061铝合金。
3.如权利要求2所述的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，其特征在于，所述金属氧化物陶瓷包括晶态氧化铝陶瓷和非晶态氧化铝陶瓷，所述晶态氧化铝陶瓷包括α相氧化铝陶瓷和γ相氧化铝陶瓷。
4.如权利要求1所述的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，其特征在于，在步骤S4中，退火温度为50-400℃，退火时间为0.5-10h，升温速度为0.5-10℃/min。
5.如权利要求1～4中任一项所述的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括如下步骤：
S0、利用砂纸对铝合金的表面进行抛光处理，采用去离子水对抛光后的铝合金进行超声清洗，并用氮气吹干。
6.一种防腐蚀铝合金，其特征在于，由权利要求1～5中任一项所述的利用超快激光提高铝合金防腐性能的方法制备而成。
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| CN113634909A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 不沾金属表面及其制备方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Long-term seawater anti-corrosion properties of Al alloy triggered by femtosecond laser structuring with phase change";Rahul A. Rajan等;《Applied Surface Science》;第第573卷卷;第1-11页 * |
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