纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法。

背景技术

钛合金具有出色的机械、物理和化学特性，例如高的比强度、低密度、良好的高温保持性以及优异的耐腐蚀性和生物相容性等特点，被广泛应用于国防、航空航天、生物医学和其它领域等。但是其本身固有的一些缺点，如高摩擦系数、低硬度和耐磨性等，在一定程度上限制了工业应用范围。

材料表面微结构的制备可以改善表面湿润性、光学特性、生物兼容性以及摩擦磨损性能等，显然在钛合金表面制备微结构将会为其提供更大的发展空间和应用潜力。但是目前大部分表面微结构的耐久性极差，使用寿命很短，而且对于某些特殊方式制备的表面微结构，其容易受到光学、温度等环境因素的影响，导致其容易遭受破坏(李晓,盛丽萍,王宇轩.多功能和耐久性超疏水表面的研究进展.湖南师范大学自然科学学报,2020)。

因此，如何制备多功能且高耐久性的表面微结构具有重要意义。

氮化钛具有高硬度，良好的化学稳定性以及优异的耐磨耐腐蚀性能，是一种常见的涂层材料，被用于作刀具涂层，来提高刀具的硬度以及耐磨性。针对钛合金较差的耐磨性等，可以尝试以氮化的方式在其表面制备一层氮化钛(秦晓阳,黄婷,肖荣诗.Ti表面微结构的制备及应用研究进展.电加工与模具，2019,(4):1-9)。

激光加工作为一种高精度、灵活、无污染的方式，适用于大多数材料，并且在微纳米结构的制备方面崭露头角。激光器种类繁多，而纳秒激光器作为一种成本较低，又可以同时兼顾加工效率和加工质量，目前成功被工业化应用的激光器。对于纳秒激光与材料相互作用，热效应是不可避免的，这就导致了不可控的熔体局部流动以及蒸发现象，很难在材料表面制备比较规则的周期性结构。因此，对于开发一种简单高效且具有耐久性表面周期性微结构的方法是十分有必要的。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出了一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法，其不仅可以改善钛合金表面的湿润性能，同样能起到颜色调控的作用，此外由于激光氮化的作用，此表面展现出较高的表面硬度以及较好的摩擦磨损性能，此制备方法简单，具有较好的重复性且制备的结构具有优异的耐久性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法：先对钛合金表面进行预处理，将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔，氮气流量为1-20L/min；经过10-15s的预送气后，打开纳秒光纤激光器，将聚焦后激光束经过二氧化硅玻璃垂直照射在钛合金样品表面，通过控制激光参数，在钛合金表面制备周期性表面微结构，并同时起到激光氮化的作用。

所述的钛合金的预处理方式为：将线切割后的钛合金样品进行机械研磨、抛光处理，放入无水乙醇中进行超声清洗，干燥。

所述的机械研磨使用200#，400#，800#，1200#，1500#，2000#的砂纸依次进行，然后使用W5，W3，W1的金刚石研磨膏进行机械抛光，超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为5-10min，在空气中自然干燥。

所述的制备周期性表面微结构的激光器为纳秒光纤激光器。

作为优选：所述的氮气为高纯氮气，其气体流量为5-15L/min。

作为优选：所述的激光加工参数包括激光功率、激光扫描速度、激光重复频率、激光脉宽、中心波长、光斑直径，其中，所述激光功率为4.04-5.21W，激光扫描速度为5-15mm/s，激光重复频率为500-1000kHz，激光脉宽为7-20ns，激光扫描线的间距为5-20μm，中心波长为1064nm，高斯光斑直径为42μm。采用以上方式，可以在钛合金表面制备出规则的周期性表面结构，其具备改善湿润性能，颜色调控，提高表面硬度及摩擦磨损性能的功能。

作为优选：所述的在调整激光加工参数后，钛合金表面制备的周期性表面结构的结构调制深度为50-200nm，其空间周期为0.9-1.2μm。

作为优选：所述的周期性表面微结构可以改变钛合金表面的湿润性能，并且具有两种以上的颜色，其表面硬度为6-10GPa，在5-15N的划痕载荷下摩擦系数在0.08-0.12。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

本发明采用纳秒激光辐照诱导钛合金形成多功能周期性表面微结构，操作简单，加工成本低，效率高且重复性好，绿色无污染，可用于大规模工业生产。通过设计不同的激光加工参数可调节表面结构的形貌特征，可在钛合金样品上实现具有多功能，较高耐久性的周期性表面微结构，具有广阔的应用前景。

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Ti6Al4V样品的周期性表面微结构的SEM图像以及对应的结构的剖面图像；

图2为Ti6Al4V样品的周期性表面微结构在不同拍摄角度下呈现出不同色彩的图像；

图3为Ti6Al4V样品原始表面以及激光加工后表面的接触角示意图；

图4为在不同压痕载荷下的Ti6Al4V样品原始表面以及激光加工后表面的硬度示意图，以及在600mN压痕载荷下对应的压痕曲线；

图5为在15N划痕载荷下Ti6Al4V样品原始表面以及激光加工后表面的摩擦系数图像。

具体实施方式

以下结合实例及附图进一步说明本发明的详细内容以及具体实施方式，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。

一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法，其具体实施步骤如下：先对钛合金表面进行预处理，将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔，氮气流量为1-20L/min；经过10-15s的预送气后，打开纳秒光纤激光器，将聚焦后的激光束经过二氧化硅玻璃垂直照射在钛合金样品表面，通过控制激光参数，在钛合金表面制备周期性表面微结构，并同时起到激光氮化的作用。

进一步的实施例中，钛合金的预处理方式为：将线切割后的钛合金样品进行机械研磨、抛光处理，并放入无水乙醇中进行超声清洗，干燥。

进一步的实施例中，机械研磨使用200#，400#，800#，1200#，1500#，2000#的砂纸依次进行，然后使用W5，W3，W1的金刚石研磨膏进行机械抛光，超声清洗的清洗温度设置为50-60℃，清洗时间为5-10min，在空气中自然干燥。

进一步的实施例中，所使用的激光器为纳秒光纤激光器。

进一步的实施例中，所使用的氮气为高纯氮气，气体流量为5-15L/min。

进一步的实施例中，所使用的激光加工参数包括激光功率、激光扫描速度、激光重复频率、激光脉宽、中心波长、光斑直径，其中，激光功率为4.04-5.21W，激光扫描速度为5-15mm/s，激光重复频率为500-1000kHz，激光脉宽为7-20ns，激光扫描线的间距为5-20μm，中心波长为1064nm，高斯光斑直径为42μm。

进一步的实施例中，通过调整激光加工参数，钛合金表面制备的周期性表面结构的调制深度为50-200nm，空间周期为0.9-1.2μm。

进一步的实施例中，所制备的周期性表面微结构不但可以改变钛合金表面的湿润性能，并且具有两种以上的色彩，其表面硬度为6-15GPa，在5-15N的划痕载荷下摩擦系数为0.08-0.12。

实施例1：

以下钛合金优选采用Ti6Al4V，其是目前使用最广泛的钛合金之一，被应用于机械、航空航天、生物医学等领域，但亦可以采用其他型号的钛合金。

(1)将Ti6Al4V原料线切割为20mm×20mm×3mm的方块样品，对Ti6Al4V样品进行机械研磨、抛光处理，并使用无水乙醇进行超声清洗5min，超声清洗的清洗温度为50℃，在空气中自然干燥。

(2)将处理后的Ti6Al4V样品放置于气体腔中，打开气阀，以气体流量为5L/min通入高纯氮气，经过10-15s的预送气后，打开纳秒激光器，将聚焦后的激光束经过二氧化硅玻璃垂直照射在钛合金样品表面。

(3)调节纳秒激光器参数，通过控制软件将激光器功率设定为4.46W，激光扫描速度为10mm/s，激光重复频率为700kHz，激光脉宽为7ns，激光扫描线的间距为15μm，中心波长为1064nm，高斯光斑直径为42μm，进行连续线扫描，钛合金表面制备的周期性表面结构的调制深度为100nm，空间周期为1μm，详细结构可参见图1。

(4)对激光加工后的Ti6Al4V样品进行观测及实验。通过改变观测角度，Ti6Al4V表面呈现出不同的色彩，可参见图2。利用接触角测量仪，以5μL的去离子水滴于表面不同位置5次取平均值测得平均接触角，激光加工后的Ti6Al4V表面的平均接触角为45°，比抛光表面减小了17°，略微增加了其亲水性能，可参见图3。

(5)将激光加工后的Ti6Al4V表面进行抛光以去除表面结构，使用纳米压痕仪来对表面的硬度进行表征，参见图4，在不同压痕载荷下激光加工后的表面硬度为5.8-7.7GPa，比原始表面的硬度(3.6GPa)提高了2-4GPa。

(6)请参见图5，该图是不同划痕载荷下经过纳秒激光加工前后Ti6Al4V表面的摩擦系数图像。结果显示，在15N的划痕载荷下激光处理后Ti6Al4V表面摩擦系数为0.12±0.01，而在15N的划痕载荷下激光处理前Ti6Al4V表面摩擦系数为0.38-0.42之间，极大地改善了Ti6Al4V表面的摩擦性能。

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。