CN117165876A - 一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光‑超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法及加工装置，将铝合金待加工板材的两端安装在空化仓的底部，使铝合金待加工板材的上表面浸没在空化仓内的介质中；脉冲激光束聚焦在空化仓内的介质中产生激光空化区；在铝合金待加工板材下表面处施加超声振动，在激光空化区下方产生超声空化区，通过激光诱导空泡溃灭产生的流体动力，在铝合金待加工板材上表面溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金待加工板材上表面形成微米级多孔结构；对空化后的铝合金待加工板材上表面通过化学修饰降低材料表面能，形成超疏水表面。本发明使试件产生超疏水表面同时厚度方向产生对称的应力分布，铝合金性能得到强化且保持高平整度。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性技术领域，特别涉及一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法及加工装置。
背景技术
航空铝合金比强度高、比重小，具有优良的力学性能与加工性能，广泛应用于飞机蒙皮、骨架等零部件。然而航空铝合金表面润湿性较高，在高温低湿的工况下，材料表面容易发生结冰，增加飞机质量和飞行阻力，严重影响飞机性能。为此，提升铝合金表面疏水抗冰性能在航空领域具有重要意义。
当前，实现材料表面超疏水性能的加工方法包括电化学法、电火花微加工法、化学刻蚀法、电镀法、溶胶-凝胶法等，但这些制备方法存在许多自身缺陷，如工艺复杂、效率低下，制备环境苛刻、制备的微米级多孔结构机械稳定性差等，因此寻找一种合适的超疏水表面制备工艺显得尤为重要。
空化现象是指液体受到外界压力减小或温度升高而迅速蒸发成气体，形成气泡的现象。空化按产生的方式可划分为两类：能量沉积诱导和空化压降诱导空化。激光与超声均可以诱导产生空化现象。激光诱导空泡属于能量沉积诱导空化，利用激光束聚焦于水中，激光能量达到击穿阈值后在水中产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量产生空泡，它具有球对称性好、可控性强等优点。然而，激光诱导空化的作用范围小，空化泡数量少，加工周期长，因此难以实现大规模工业化应用。超声空化属于压降诱导空化，利用超声波在液体中传播，液体受到超声波的作用开始振荡形成压力波，局部压力小于饱和气体压力时，液体内部产生空泡群。空泡在低压区生长、膨胀，到达高压区时又会收缩、溃灭，空泡在溃灭时会产生冲击波、微射流，使材料表面性能发生变化。然而超声空化能量利用率低，且空化区域具有随机性，导致尺寸精度难以保证。并且单面空化过程中，因应力梯度机制会产生非期望变形，尤其是应用于薄板件时，其控形能力较差。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法及加工装置，在激光诱导空化工艺的基础上引入超声空化，通过在铝合金下表面直接施加超声振动向水中传递超声波，使铝合金上表面附近发生超声空化，产生空泡群改善激光诱导空化空泡数量少的弊端，更重要的是利用激光诱导空泡溃灭时产生热力效应引导超声空泡向铝合金表面方向溃灭，使溃灭产生的冲击波、微射流作用在铝合金上表面，在铝合金表面形成微米级多孔结构并形成继续向材料内部传播的冲击压力，与下表面对应位置施加的超声振动，形成大小相同的塑性应变，使试件厚度方向产生对称的应力分布，铝合金性能得到强化且保持高平整度，不易产生弯曲变形。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，包括如下步骤：
将铝合金待加工板材的两端安装在空化仓的底部，使铝合金待加工板材的上表面浸没在空化仓内的介质中；
脉冲激光束聚焦在空化仓内的介质中产生激光空化区，在激光空化区中产生激光诱导空泡；在铝合金待加工板材下表面处施加超声振动，在激光空化区下方产生超声空化区，在超声空化区内产生超声空泡；
通过激光诱导空泡溃灭产生的流体动力，推动超声空泡向铝合金待加工板材上表面方向移动，并在铝合金待加工板材上表面溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金待加工板材上表面形成微米级多孔结构；
对空化后的铝合金待加工板材上表面通过化学修饰降低材料表面能，形成超疏水表面。
进一步，所述激光诱导空泡在超声空化区正上方20～80微米处。
进一步，所述脉冲激光束与超声振动沿加工路径同步移动，使铝合金待加工板材上表面全部形成微米级多孔结构。
进一步，所述脉冲激光束的脉冲能量为200mJ～1000mJ，离焦量为1mm。
进一步，通过超声发生器产生超声振动，超声发生器的频率为20kHz～40kHz，振幅为30μm～50μm。
进一步，在空化仓外部设有循环换热系统，将空化仓内的介质温度保持在30～50℃之间。
进一步，所述对空化后的铝合金待加工板材上表面通过化学修饰降低材料表面能的具体方法为：将空化后的铝合金待加工板材置于1～3％全氟辛酸溶液中浸泡4h，随后恒温箱95℃干燥5min。
一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法的加工装置，包括激光器、超声发生器和空化仓；所述激光器用于产生脉冲激光束，所述激光器可移动安装在空化仓上方，所述脉冲激光束聚焦在空化仓内的液体介质中，用于产生激光诱导空泡；所述空化仓底部安装铝合金待加工板材，且所述铝合金待加工板材的上表面浸没在空化仓内的介质中；所述超声发生器可移动安装在铝合金待加工板材下表面的下方，用于在铝合金待加工板材上表面上方的空化仓内产生超声空泡；所述超声发生器产生超声空泡位于激光诱导空泡正下方。
进一步，还包括温控循环系统，所述温控循环系统位于空化仓外侧，用于调控空化仓内液体介质的温度。
进一步，所述温控循环系统包括水槽、蓄水池、水泵、温度传感器和工控机；所述空化仓位于水槽内，所述水槽通过水泵与蓄水池构成闭环管路；所述温度传感器用于检测空化仓内的温度；所述工控机根据空化仓内的温度控制水泵工作。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，将超声振动直接施加在铝合金下表面，通过铝合金向水中传递超声波，在上表面附近形成超声空泡群。脉冲激光聚焦于水中超声空泡群上方，产生的激光空泡溃灭时产生的流体流动会引导超声空泡向铝合金表面方向溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金上表面，使上表面发生严重的塑性形变，形成冲击凹坑，在空泡多重密集的作用下，在铝板表面形成微米级多孔结构。通过化学修饰后，在制备的微米级多孔结构及较低表面能共同作用下，铝合金材料表面具有了较好的超疏水效果。
2.本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，利用激光与超声双空化在特定位置产生空化泡并激励空化泡溃灭，溃灭产生的冲击波、微射流多次密集的冲击在铝合金上表面，并形成向材料内部传播的冲击压力，同时在下表面对应位置施加超声振动，使两侧同时加工产生大小大致相同的塑性应变，使试件厚度方向产生对称的应力分布，铝合金板材获得保持较高的平整度。
3.本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，通过激光-超声双空化在上表面产生空泡，空泡溃灭时冲击在铝合金上表面，同时在下表面对应位置施加超声振动，在工件上下表面近表层诱导的晶粒细化和表面残余压应力可以强化基体的抗疲劳性能，进而提高复杂工况下工件的使用寿命。
4.本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，两种工艺有效叠加，工艺参数易于调控，具有操作简单，成本低廉等优点，制备的微米级结构具有较高的可靠性与稳定性，而且不仅仅是为了增加空泡数量，更重要的是耦合了两种工艺，克服了单一空化工艺的弊端，更好适用于航天航空领域复杂严苛的环境，具有较为广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面加工装置示意图。
图2为本发明实施例一形貌图。
图3为本发明各实施例制备的超疏水表面的液滴接触角对比图。
图4为本发明各实施例的残余应力对比图。
图5为本发明各实施例的显微硬度对比图。
图6为本发明实施例二厚度方向残余应力分布图。
图中：
1-脉冲激光束；2-空化仓；3-水槽；4-温度传感器；5-夹具；6-工作台；8-铝合金待加工板材；9-超声振动装置；10-蓄水池；11-水泵；12-工控机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的加工装置，包括激光器、超声振动装置9和空化仓2；所述激光器用于产生脉冲激光束1，所述激光器可移动安装在空化仓2上方，空化仓2内盛放液体介质，一般为水。所述脉冲激光束1聚焦在空化仓2内的液体介质中，用于产生激光诱导空泡；所述空化仓2底部壁面中设有空缺，通过夹具5将铝合金待加工板材8安装在空化仓2底部，且所述铝合金待加工板材8的上表面浸没在空化仓2内的介质中，即铝合金待加工板材8的上表面可以看出空化仓2底面；所述空化仓2安装在工作台6上。所述超声振动装置9可移动安装在铝合金待加工板材8下表面的下方，用于在铝合金待加工板材8上表面上方的空化仓2内产生超声空泡；所述超声发生器产生超声空泡位于激光诱导空泡正下方，这样便于激光诱导空泡的溃灭将超声空泡推向铝合金待加工板材8上表面。
还包括温控循环系统，所述温控循环系统位于空化仓2外侧，用于调控空化仓2内液体介质的温度。所述温控循环系统包括水槽3、蓄水池10、水泵11、温度传感器4和工控机12；所述空化仓2位于水槽3内，所述水槽3通过水泵11与蓄水池10构成闭环管路；所述温度传感器4用于检测空化仓2内的温度；所述工控机12根据空化仓2内的温度控制水泵11使蓄水池10内的液体进入水槽3，来保证空化仓2内的温度。一般空化仓2内的介质温度保持在30～50℃之间。
本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，包括如下步骤：
对铝合金待加工板材8的上下表面预处理；
将铝合金待加工板材8的两端安装在空化仓2的底部，使铝合金待加工板材8的上表面浸没在空化仓2内的介质中；
脉冲激光束1聚焦在空化仓2内的介质中产生激光空化区，在激光空化区中产生激光诱导空泡；在铝合金待加工板材8下表面处施加超声振动，在激光空化区下方产生超声空化区，在超声空化区内产生超声空泡；所述激光诱导空泡在超声空化区正上方20～80微米处。
通过激光诱导空泡溃灭产生的流体动力，推动超声空泡向铝合金待加工板材8上表面方向移动，并在铝合金待加工板材8上表面溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金待加工板材8上表面，所述脉冲激光束1与超声振动沿加工路径同步移动，使铝合金待加工板材8上表面全部形成微米级多孔结构；
对空化后的铝合金待加工板材8上表面通过化学修饰降低材料表面能，形成超疏水表面。
本发明所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，在激光诱导空化的基础上引入超声空化技术，脉冲激光不断聚焦于水中，诱导产生空泡，同时在基板的下表面直接施加超声振动向水中传递超声波，并在聚焦区域下方产生空泡群，改善激光诱导空化空泡数量少的弊端，同时更重要的是激光诱导空泡在超声振动与激光能量作用下，不断膨胀、收缩直到溃灭，在液体中产生的流体流动引导超声空泡向铝合金表面溃灭，溃灭产生的冲击波、微射流多次密集的冲击在铝合金上表面，在上表面形成微米级多孔结构的并继续向材料内部传播冲击压力。同时下表面对应位置施加超声振动，使铝合金上下表面产生大小大致相同的塑性应变，厚度方向上呈现对称的应力分布，可以保证铝合金性能得到强化且保持较好的平整度，板材整体变形较小，疏水结构的机械稳定性较强。
实施例一：
实施例一所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，包括如下具体步骤：
S01：使用粒径不同的砂纸对20mm×20mm×2mm的2024航空铝合金待加工板材8表面逐级打磨抛光后，使表面粗糙度≤50μm，使用无水乙醇对表面进行超声清洗并烘干，将铝合金待加工板材8的两端安装在空化仓2的底部开口处；
S02：向空化仓内注入水，温控循环系统控制水的温度，水槽进水口与出水口装有温度传感器，并通过流水循环系统，使空化仓内的水维持在30℃。
S03：开启激光器聚焦于水中，脉冲激光束1在空化仓2内的介质中产生激光空化区，在激光空化区中产生激光诱导空泡；脉冲激光束1的脉冲能量为200mJ，离焦量为1mm，同时开启空化仓底部的超声振动装置9，超声振动装置9的频率为20kHz，超声振幅为30μm。在铝合金待加工板材8下表面处施加超声振动，在激光空化区下方产生超声空化区，在超声空化区内产生超声空泡；所述激光诱导空泡在超声空化区正上方20微米处。
S04：通过激光诱导空泡溃灭产生的流体动力，推动超声空泡向铝合金待加工板材8上表面方向移动，并在铝合金待加工板材8上表面溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金待加工板材8上表面，所述脉冲激光束1与超声振动沿加工路径同步移动，使铝合金待加工板材8上表面全部形成微米级多孔结构；
S05：将空化后的铝合金板材置于1％全氟辛酸溶液中浸泡4h，随后恒温箱95℃干燥5min。
实施例一制备的铝合金试样空化表面形貌如图2所示，在“激光-超声”双空化的作用下，产生的冲击波、微射流多次密集冲击基板表面，在表面制备微米级多孔结构，实现基板表层晶粒细化并提高材料硬度。如图3所示，采用角接触测量仪测试了空化区域液滴的接触角为153°，达到表面超疏水。表面微结构的存在，在表面形成大量气穴，存储空气，有效减少液滴与材料表面的接触面积，从而降低液滴与材料表面的传热。如图4所示，实施例一制备的超疏水铝合金表面残余应力为-37±3MPa，实现试样表层残余应力的拉压转换。如图5所示，实施例一制备的铝合金板材的显微硬度为172HV。
实施例二：
在实施例一的基础上，实施例二中的激光束的脉冲能量为500mJ，同时开启空化仓底部的超声振动装置，超声波发生器的频率为25kHz，超声振幅为40μm，并控制空化仓内温度为40℃，所述激光诱导空泡在超声空化区正上方50微米处。
实施例二与实施例一的铝合金材料超疏水表面制备工艺一致，但对激光束的脉冲能量以及超声振动参数进行调整。采用角接触测量仪测试了空化区域液滴的接触角为157°，具有良好的疏水性。实施例二制备的超疏水铝合金表面残余应力如图4所示，残余压应力为-84±4MPa，并测得铝合金板材厚度方向的残余残余应力分布如图6所示，空化溃灭产生的冲击波、微射流多次密集的冲击在铝合金上表面，同时下表面对应位置施加超声振动，厚度方向上产生大小大致相同的塑性应变，表现为对称的应力分布，使加工后铝合金板材保持较高的平整度。实施例二制备的铝合金板材的显微硬度为196HV。在实施例一的基础上，实施例二使用了更大的激光脉冲能量与超声振幅，提高了空化强度，使空化反应更加剧烈，使材料接触角发生改变。同时提高超声振动频率，对空化泡的激励作用增加，空化泡溃灭更加剧烈，因此实施例二制备的试样疏水性能更加优异以及基体力学性能更强，板材平整度较好。
实施例三：
在实施例一的基础上，实施例三中的激光束的脉冲能量为800mJ，同时开启空化仓底部的超声振动装置，超声波发生器的频率为40kHz，超声振幅为50μm，并控制空化仓内温度维持在50℃。所述激光诱导空泡在超声空化区正上方80微米处
实施例三与实施例一的铝合金材料超疏水表面制备工艺一致，但对激光束的脉冲能量以及超声振动参数进一步调整，采用角接触角测量仪测试了空化区域液滴的接触角为162°，残余压应力为-110±4MPa，实施例三制备的铝合金板材的显微硬度为211HV。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铝合金待加工板材(8)的两端安装在空化仓(2)的底部，使铝合金待加工板材(8)的上表面浸没在空化仓(2)内的介质中；
脉冲激光束(1)聚焦在空化仓(2)内的介质中产生激光空化区，在激光空化区中产生激光诱导空泡；在铝合金待加工板材(8)下表面处施加超声振动，在激光空化区下方产生超声空化区，在超声空化区内产生超声空泡；
通过激光诱导空泡溃灭产生的流体动力，推动超声空泡向铝合金待加工板材(8)上表面方向移动，并在铝合金待加工板材(8)上表面溃灭，溃灭产生的冲击波与微射流作用在铝合金待加工板材(8)上表面形成微米级多孔结构；
对空化后的铝合金待加工板材(8)上表面通过化学修饰降低材料表面能，形成超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述激光诱导空泡在超声空化区正上方20～80微米处。
3.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述脉冲激光束(1)与超声振动沿加工路径同步移动，使铝合金待加工板材(8)上表面全部形成微米级多孔结构。
4.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述脉冲激光束(1)的脉冲能量为200mJ～1000mJ，离焦量为1mm。
5.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，通过超声发生器产生超声振动，超声发生器的频率为20kHz～40kHz，振幅为30μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，在空化仓(2)外部设有循环换热系统，将空化仓(2)内的介质温度保持在30～50℃之间。
7.根据权利要求1所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法，其特征在于，所述对空化后的铝合金待加工板材(8)上表面通过化学修饰降低材料表面能的具体方法为：将空化后的铝合金待加工板材(8)置于1～3％全氟辛酸溶液中浸泡4h，随后恒温箱95℃干燥5min。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法的加工装置，其特征在于，包括激光器、超声发生器和空化仓(2)；所述激光器用于产生脉冲激光束(1)，所述激光器可移动安装在空化仓(2)上方，所述脉冲激光束(1)聚焦在空化仓(2)内的液体介质中，用于产生激光诱导空泡；所述空化仓(2)底部安装铝合金待加工板材(8)，且所述铝合金待加工板材(8)的上表面浸没在空化仓(2)内的介质中；所述超声发生器可移动安装在铝合金待加工板材(8)下表面的下方，用于在铝合金待加工板材(8)上表面上方的空化仓(2)内产生超声空泡；所述超声发生器产生超声空泡位于激光诱导空泡正下方。
9.权利要求8所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法的加工装置，其特征在于，还包括温控循环系统，所述温控循环系统位于空化仓(2)外侧，用于调控空化仓(2)内液体介质的温度。
10.权利要求9所述的激光-超声双空化耦合制备铝合金超疏水表面的方法的加工装置，其特征在于，所述温控循环系统包括水槽(3)、蓄水池(10)、水泵(11)、温度传感器(4)和工控机(12)；所述空化仓(2)位于水槽(3)内，所述水槽(3)通过水泵(11)与蓄水池(10)构成闭环管路；所述温度传感器(4)用于检测空化仓(2)内的温度；所述工控机(12)根据空化仓(2)内的温度控制水泵(11)工作。
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