CN117773345A - 一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法及应用，其中，一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。本发明的技术方案通过一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化，使钛合金表面的润湿性能、硬度和耐腐蚀性能同步提高。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金表面处理技术领域，特别涉及一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法及应用。
背景技术
钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性能优异等出色的综合性能，在航空航天、化工工业、能源工程、海洋等领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。例如，在海洋装备领域常用的石油钻井工具大多采用钛合金制成。由于石油钻井设备的使用环境恶劣，海底钻探地层结构复杂，因此对钛合金的性能要求会更高。
激光冲击技术是一种基于脉冲激光力效应而实现材料表面处理的方法。传统技术中，一般是通过激光在大气环境中对钛合金表面进行冲击，此种方法通常无法一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化，无法使钛合金表面的润湿性能、硬度和耐腐蚀性能同步提高。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，旨在通过一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化，使钛合金表面的润湿性能、硬度和耐腐蚀性能同步提高。
为实现上述目的，本发明提出的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
在其中一个实施例中，飞秒激光满足以下参数：
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.005～2.5W，单脉冲能量为0.9～7μJ，脉冲激光光束直径为1cm。
在其中一个实施例中，在步骤S3中，飞秒激光采用蛇形往复扫描路径对钛合金样品表面进行1～3次扫描，扫描速度为1mm/s～200mm/s，扫描间距为0.01～0.8mm。
在其中一个实施例中，飞秒激光的种类采用钛宝石激光。
在其中一个实施例中，在步骤S2中，所述预设距离为8mm～15mm。
在其中一个实施例中，在步骤S2中，所述预设距离为10mm。
在其中一个实施例中，步骤S3还包括：采用高速相机对加工过程进行实时监控，并将监控数据反馈至控制系统。
在其中一个实施例中，在步骤S3之后还包括以下步骤：
S4、将由飞秒激光处理后的钛合金样品在预设温度下进行加热，以使钛合金样品表面形成的超亲水纳米结构转化为超疏水纳米结构。
在其中一个实施例中，在步骤S4中，所述预设温度为200℃～300℃。
根据如上所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法加工得到的钛合金在石油钻井工具中的应用。
本发明的技术方案提出一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，先通过调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；再将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；然后通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。如此，通过一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化，使钛合金表面的润湿性能、硬度和耐腐蚀性能同步提高。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明基于飞秒激光的钛合金表面处理方法一实施例的示意图；
图2为本发明基于飞秒激光的钛合金表面处理方法另一实施例的示意图；
图3为本发明一实施例飞秒激光的扫描路径示意图；
图4为由本发明一实施例处理的钛合金表面的扫描电镜图；
图5为为三种状态下钛合金表面接触角示意图；其中，(a)抛光即未处理状态下的钛合金样品表面接触角；(b)飞秒激光处理完状态下的钛合金样品表面接触角；(c)飞秒激光处理完后再经过250℃热处理状态下的钛合金样品表面接触角；
图6为两种状态下的钛合金样品表面的显微组织图；其中，(a)未处理状态下的钛合金样品表面显微组织图；(b)飞秒激光处理完状态下的钛合金样品表面显微组织图；
图7为由本发明一实施例处理的钛合金表面的X射线光电子能谱图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法。
请参照图1，在本发明一实施例中，该基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
具体而言，在进行加工时，先对光路系统的光路进行调整，例如利用半波片和分光镜调整激光功率至所需的数值。再将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品完全浸润在水中，以使钛合金样品处于水面以下预设距离。然后利用光路系统发射的飞秒激光对水中的钛合金表面按照预设扫描路径进行冲击照射。由于飞秒激光相对于普通的激光而言具有更快的脉冲宽度，能够使钛合金表面快速烧蚀沉积，同时，飞秒激光穿过水面直接照射在钛合金样品表面，在飞秒激光对钛合金样品表面冲击的同时也能够引起水体的振荡以进一步加强对钛合金表面的冲击，实现激光喷丸，如此，使得钛合金表面的显微组织产生变化，使钛合金表面能够形成周期性的超亲水纳米结构，使得钛合金表面的浸润性能提高。并且，飞秒激光能量密度非常高，可以将水在极短的时间内分解成H+和O2 -，并且飞秒激光产生的纳米结构可以提高表面活化能，使得氧离子和钛合金在常温下就能够形成氧化钛，进而提高了钛合金样品的表面硬度和耐腐蚀性能。如此，通过一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化。其中，表面功能化指实现钛合金表面超亲水或超疏水，强化指飞秒激光喷丸(显微组织变化)。
本发明的技术方案提出一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，先通过调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；再将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；然后通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。如此，通过一次处理同时实现对钛合金表面的功能化和强化，使钛合金表面的润湿性能、硬度和耐腐蚀性能同步提高。
为了能够利用飞秒激光对钛合金表面起到更好的功能化和强化效果，同时提高加工效率，对飞秒激光的参数进行了优化设计，在一实施例中，飞秒激光满足以下预设参数：激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.005～2.5W，单脉冲能量为0.2～9μJ，脉冲激光光束直径为1cm。
在本实施例中，通过对激光脉冲宽度、激光波长、激光功率、单脉冲能量及脉冲激光光束直径等参数进行优化设计，使得最终由光路系统发射的飞秒激光光束能够对水面下的钛合金样品表面起到有更好的表面处理和强化作用，且飞秒激光的能量密度更高，更有利于将水在极短的时间内分解成H+和O2 -，并且飞秒激光产生的纳米结构可以提高表面活化能，更有利于在较短的时间内使氧离子和钛合金在常温下形成氧化钛，进而提高了钛合金样品的表面硬度和耐腐蚀性能。另外，采用激光脉冲宽度为为35fs，激光脉冲持续的时间短，可以更加精确的对材料表面进行加工，因此只需要进行一次扫描就可以实现表面处理的效果。并且脉冲宽度越小，在相同的时间内，产生的激光脉冲的数量越多，可以提高加工效率。可选地，激光功率为0.01～0.1W。可选地，单脉冲能量为0.9～7μJ。
为了进一步提高加工效率，在步骤S3中，飞秒激光采用蛇形往复扫描路径对钛合金样品表面进行1～3次扫描，扫描速度为1mm/s～200mm/s，扫描间距为0.01～0.8mm。相较于网格状扫描路径而言，蛇形往复扫描的效率更高，属于一次扫描；并且通过对扫描路径、扫描速度、扫描间距等参数进行优化设计，能够通过1～3次扫描就实现对钛合金样品的表面功能化和强化处理，无需重复扫描多次，可提升加工效率。如图3所示，为本实施例采用蛇形扫描路径进行扫描的示意图，其中，d表示扫描间距。
可选地，飞秒激光的种类采用钛宝石激光。
在步骤S2中，将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离。可选地，在步骤S2中，所述预设距离为8mm～15mm。
该预设距离过大或者过小都会使对钛合金表面的强化效果减弱，当预设距离过小时，激光与水的接触距离过短，无法对水起到很好的电离作用，当预设距离过大时，激光在水中的能量损耗过大，无法对钛合金表面起到有效冲击。通过使预设距离为8mm～15mm，使得钛合金样品顶面距离水面的距离适中，能够保证飞秒激光具有较高的能量密度，更有利于将水在极短的时间内分解成H+和O2 -，同时也有利于飞秒激在较短时间内使钛合金表面产生周期性的纳米结构，该纳米结构又能够提高表面活化能，更有利于在较短的时间内使氧离子和钛合金在常温下形成氧化钛，进而提高了钛合金样品的表面硬度和耐腐蚀性能，以对钛合金表面起到更好的强化效果。可选地，在步骤S2中，所述预设距离为10mm。
为了能够保证加工质量，在一实施例中，步骤S3还包括：采用高速相机对加工过程进行实时监控，并将监控数据反馈至控制系统。如此，当控制系统根据反馈的监控数据判定加工状态存在异常时，会停止加工。进而可通过人工或者控制系统对加工参数进行调整，以确保加工精度。通过高速相机对加工状态进行实时监控，能够提高加工质量，降低试错成本。
在上述实施例的基础上，如图2所示，在一实施例中，在步骤S3之后还包括以下步骤：
S4、将由飞秒激光处理后的钛合金样品在预设温度下进行加热，以使钛合金样品表面形成的超亲水纳米结构转化为超疏水纳米结构。
具体地，在上述步骤S3中通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛，此步骤可以得到具有超亲水性能的钛合金。若要得到具有超疏水性能的钛合金，只需要将步骤S3得到钛合金样品再进一步加热，就能够使钛合金样品表面形成的超亲水纳米结构转化为超疏水纳米结构，如此，能够实现钛合金在超亲水和超疏水之间快速进行转换，以使钛合金能够更好的满足不同的应用场景。
可选地，在步骤S4中，所述预设温度为200℃～300℃。例如，预设温度可以为200℃、250℃、300℃等等。通过采用相对较高的加热温度，能够有利于钛合金表面在较短时间内实现由超亲水到超疏水性能的转变，可提升加工效率。
上述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法加工得到的钛合金在石油钻井工具中的应用。应用了上述基于飞秒激光的钛合金表面处理方法加工得到的钛合金制造的石油钻井工具有较高的硬度和耐腐蚀性能，同时具备超亲水性或者超疏水性能，能够很好地适用于海洋环境。
实施例一
一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.002W，单脉冲能量为0.5μJ，脉冲激光光束直径为1cm，蛇形往复扫描1次，扫描速度为50mm/s，扫描间距为0.5mm。
经过测试，未经飞秒激光表面处理的钛合金表面硬度为290HV，接触角为70°。经实施例一处理后的钛合金表面硬度为300HV，接触角为65°，相较于未经处理的钛合金而言，其表面硬度具有提高，同时亲水性能得到的改善。并经过X射线光电子能谱测试表明其表面产生了氧化钛，使得表面强度和耐腐蚀性能都得到了提高。
实施例二
一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.05W，单脉冲能量为0.26μJ，脉冲激光光束直径为1cm，蛇形往复扫描1次，扫描速度为20mm/s，扫描间距为0.5mm。
经过测试，经实施例二处理后的钛合金表面硬度为360HV，接触角为0°，相较于未经处理的钛合金而言，其表面硬度具有大幅度的提高，同时亲水性能得到大幅度改善，转变为超亲水性能。并经过X射线光电子能谱测试表明其表面产生了氧化钛，使得表面强度和耐腐蚀性能都得到了提高。
如图4所示，为本实施例经过飞秒激光处理后的钛合金样品表面的扫描电镜图，由图中可以看出经过飞秒激光处理后的钛合金样品表面形成周期性的微纳米结构。该纳米结构为沟壑类型，凹槽的尺寸为0.212±0.029μm，凸起的尺寸为0.356±0.067μm。该周期性结构可以显著提高钛合金表面的表面能，表现出亲水的特性。
如图5所示，为三种状态下钛合金表面接触角示意图；其中，(a)抛光即未处理状态下的钛合金样品表面接触角；(b)飞秒激光处理完状态下的钛合金样品表面接触角；(c)飞秒激光处理完后再经过250℃热处理状态下的钛合金样品表面接触角。从图中可以看出，未处理试样的表面接触角为70°，经过飞秒激光处理完后试样表面的接触角趋于0°，表现出超亲水性能。将经过飞秒激光处理后的试样再经过热处理，其表面接触角为151°，表现出超疏水性能。由此可见，经过飞秒激光处理的钛合金能够实现超亲水性能，并且只需要在飞秒激光处理完之后再加一步热处理工艺，就能够从超亲水性能直接转变为超疏水性能。如此，能够通过较为简单的工艺同步实现钛合金表面的功能化。
如图6所示，为两种状态下的钛合金样品表面的显微组织图；其中，(a)未处理状态下的钛合金样品表面显微组织图；(b)飞秒激光处理完状态下的钛合金样品表面显微组织图。从图中可以看出，未处理试样中基本观察不到位错，经飞秒激光处理后的显微组织被破碎，并且位错密度明显提升，表明飞秒激光处理后的试样强度得到了提高。
如图7所示，为本实施例经过飞秒激光处理后的钛合金样品表面的X射线光电子能谱图；从图中可以看出经飞秒激光处理后的试样表面出现了TiO2的峰，表明经飞秒激光处理后，零件表面出现了氧化钛。
实施例三
一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.05W，单脉冲能量为0.26μJ，脉冲激光光束直径为1cm，蛇形往复扫描3次，扫描速度为20mm/s，扫描间距为0.5mm。
实施例三与实施例二中的激光参数基本相同，不同之处在于扫描次数有所增加，相应的钛合金表面硬度有所提高。经过测试，经实施例三处理后的钛合金表面硬度为362HV，接触角为0°，相较于未经处理的钛合金而言，其表面硬度具有大幅度的提高，同时亲水性能得到大幅度改善，转变为超亲水性能。并经过X射线光电子能谱测试表明其表面产生了氧化钛，使得表面强度和耐腐蚀性能都得到了提高。
实施例四
一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛；
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.05W，单脉冲能量为0.26μJ，脉冲激光光束直径为1cm，蛇形往复扫描1次，扫描速度为20mm/s，扫描间距为0.5mm。
S4、将由飞秒激光处理后的钛合金样品在250℃下进行加热，以使钛合金样品表面形成的超亲水纳米结构转化为超疏水纳米结构。
实施例四是在实施例二的基础上加了一步热处理工艺。经过测试，经实施例三处理后的钛合金表面硬度为362HV，接触角为151°，转变为超疏水性能。并经过X射线光电子能谱测试表明其表面产生了氧化钛，使得表面强度和耐腐蚀性能都得到了提高。
实施例五，一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛；
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为4W，单脉冲能量为9μJ，脉冲激光光束直径为1cm，蛇形往复扫描1次，扫描速度为60mm/s，扫描间距为0.5mm。
经过测试，经对比例处理后的钛合金表面硬度为320HV，接触角为38°。相较于未经处理的钛合金而言，其表面硬度具有提高，同时亲水性能得到的改善。
表一：不同飞秒激光参数处理下的钛合金表面硬度和接触角。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调整光路系统，以使光路系统发射的飞秒激光满足预设参数；
S2、将钛合金样品置于蒸馏水中，并使钛合金样品处于水面以下预设距离；
S3、通过光路系统发射的飞秒激光对蒸馏水中的钛合金样品进行表面处理，以使钛合金样品表面形成超亲水纳米结构和氧化钛。
2.如权利要求1所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，飞秒激光满足以下参数：
激光脉冲宽度为35fs，激光波长为800nm，激光功率为0.005～2.5W，单脉冲能量为0.2～9μJ，脉冲激光光束直径为1cm。
3.如权利要求1所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，在步骤S3中，飞秒激光采用蛇形往复扫描路径对钛合金样品表面进行1～3次扫描，扫描速度为1mm/s～200mm/s，扫描间距为0.01～0.8mm。
4.如权利要求1所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，飞秒激光的种类采用钛宝石激光。
5.如权利要求1所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述预设距离为8mm～15mm。
6.如权利要求5所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述预设距离为10mm。
7.如权利要求1所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，步骤S3还包括：采用高速相机对加工过程进行实时监控，并将监控数据反馈至控制系统。
8.如权利要求1至7任意一项所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括以下步骤：
S4、将由飞秒激光处理后的钛合金样品在预设温度下进行加热，以使钛合金样品表面形成的超亲水纳米结构转化为超疏水纳米结构。
9.如权利要求8所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法，其特征在于，在步骤S4中，所述预设温度为200℃～300℃。
10.根据如权利要求1至9任意一项所述的基于飞秒激光的钛合金表面处理方法加工得到的钛合金在石油钻井工具中的应用。
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