一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法，属于金属基材表面改性技术领域。该方法首先将铸铁样品进行抛光预处理，然后分别利用去离子水和无水乙醇清洗样品表面后吹干或晾干，再利用激光加工技术，采用短脉冲激光调节好相关的工艺参数后对样品进行表面处理，在样品表面加工出无数的微结构，加工完成后，将经过加工后的样品放入电热干燥箱内烘烤，得到所述铸铁超疏水耐腐蚀表面，所述表面具有微米级的条状结构，该表面具有非常好的超疏水性能，同时还具备优异的耐腐蚀能性能。本发明专利技术的制备方法工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，绿色环保，易于实现工业应用。

【技术实现步骤摘要】
一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法
：本专利技术属于金属材料表面改性技术，涉及铸铁基体上超疏水耐腐蚀表面的制备方法，更具体地说，本专利技术涉及一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法。
技术介绍
：自然界为我们提供了大量的超疏水、自清洁的动植物表面实例，如荷叶、水稻叶、水印腿、蛾的翅膀、鸟类的羽毛等表面。自然界的生物经过亿万的演变进化出各种形态、功能、结构和材料的表面，以适应其生存的环境。这种结构表面具有超疏水非浸润、自清洁、防粘附的功能，除此之外还有隐身、减阻、降噪等功能。随着现代材料技术和测试检测技术的发展，科学家们发现自然界的这些动植物具有超疏水和自清洁功能，当污染物及水附着在其表面上很容易滑落达到自清洁的目的，而要清洗同样的表面则需要耗费大量的人力和物力。因此在金属材料上制备出超疏水表面得到越来越多的关注，人们渴望将超疏水性能应用于工业生产，尤其是在铸铁表面上制备出超疏水的性能。通常规定，将水滴在表面的接触角CA大于90°称为疏水表面，当接触角CA大于150°、滚动角TA小于10°的表面称为超疏水表面。铸铁是世界上产量最高的金属材料，被广泛的应用在船舶工业、汽车工业、桥梁铁路等领域中。但是每年由于腐蚀造成铸铁的损失占年产量的10-20％，因此铸铁的防腐蚀就显得尤为重要。超疏水自清洁概念为铸铁基体的耐腐蚀处理提供了新的思路。用激光技术加工铸铁表面，使铸铁表面形成防腐蚀的超疏水表面，具有非常大的应用前景。金属材料的浸润性是金属表面很重要的一个特征，材料的微观结构以及组成成分共同影响这材料表面的浸润性。在金属材料上制备出超疏水的方法有很多，典型的方法有：阳极氧化法、化学药水腐蚀法、电化学刻蚀+化学腐蚀法、激光刻蚀+化学腐蚀法。阳极氧化法就是将多孔氧化铝凝胶浸入沸水当中，然后将升华的材料和铝石或者硅石混合，为了有效地获得超疏水表面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率并不高。而其他制备方法大多需要特殊的设备或者苛刻加工条件及不可或缺的昂贵、高污染的化学药剂，通过将样品泡置在化学试剂中，使其表面形成凹坑状微结构。这些方法对环境的污染较大，操作工艺复杂。针对在铸铁材料上制备出超疏水表面，将使用一种无化学药水、无污染操作简单的激光加工法，在材料表面形态高度一致的微结构上改善铸铁表面形貌，实现材料表面超疏水自清洁的要求，对于提高效率、节能、保护环境等都具有重要意义。申请号为201310079939.7的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先以无水乙醇清洗铝合金，然后在铝合金表面进行激光加工，在试样表面加工出无数微尺度的弹坑状结构，再将试样浸入化学刻蚀溶液中，使试样表面的形貌特征发生改变，但该方法未完全突破传统化学蚀刻的表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，且将经过化学刻蚀后的铝合金试样放入含有DTS的甲苯溶液中进行修饰，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处理工艺复杂，且使用了高毒致癌物质甲苯，容易造成环境污染。申请号为201410657627.4的专利公开了一种超疏水高粘附金属表面及其制备方法，通过高功率皮秒或飞秒激光在金属表面制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，再通过低自由能物质的表面修饰，实现了超疏水高粘附金属表面的制备，该方法采用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工效率低；申请号为200910183588.8的专利公开了一种仿生金属超润湿跨尺度结构设计方法与制备方法，该方法通过复杂的超亲水理论设计，将待处理样品置于高真空室中，分别在不同角度下进行两次扫描，最终获得接近自然生物表面形貌的跨尺度微结构，但是该方法需严格控制各项工艺参数，处理成本过高，完全不适合工业化大规模生产。综上所述，探索一种具有简单、快捷、成本低、加工效率高的超疏水耐腐蚀铸铁基体表面的制备方法，是一项既有理论价值又有现实应用价值的技术工作，这项技术专利技术甚至有可能给超疏水耐腐蚀这个领域带来颠覆性的变化。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种工艺简单，制备效率高、绿色环保的铸铁超疏水耐腐蚀表面的制备方法。本专利技术的方法可在各种尺寸和不同形状的铸铁材料表面获得长期稳定的、接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面，同时制得的表面还具有出色的耐腐蚀性能。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，将待处理的铸铁表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铸铁样品；步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铸铁样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述铸铁样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的铸铁样品；步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净铸铁样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的铸铁样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述铸铁超疏水耐腐蚀表面；其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ。进一步地，上述技术方案中步骤三所述短脉冲激光器的重复频率为70kHz-1000kHz，所述脉宽为10ns-500ns。进一步优选地，所述短脉冲激光器的波长为1064nm，所述短脉冲激光器的脉宽为20ns-240ns，所述单脉冲能量范围为0.1mJ-0.6mJ，所述重复频率为100kHz-500kHz，所述激光扫描速度为1000mm/s-3000mm/s。更进一步优选地，所述脉宽为100ns-220ns，所述单脉冲能量范围为0.3mJ-0.6mJ，所述重复频率为100kHz-200kHz。再进一步优选地，所述脉宽为220ns，脉冲能量为0.6mJ。更进一步优选地，所述脉宽为20ns-40ns，所述单脉冲能量范围为0.1mJ-0.3mJ，所述重复频率为200kHz-500kHz，所述激光扫描速度为1500mm/s-1700mm/s。再进一步优选地，所述脉宽为40ns，脉冲能量为0.24mJ。进一步地，上述技术方案中步骤一所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光预处理过程需要辅助直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述铸铁表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10分钟。进一步地，上述技术方案中步骤二所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水应将铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一，将待处理的铸铁表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铸铁样品；步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铸铁样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述铸铁样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的铸铁样品；步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净铸铁样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s‑30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s‑800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s‑3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的铸铁样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述铸铁超疏水耐腐蚀表面；其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，所述激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ。...

【技术特征摘要】
1.一种利用短脉冲激光制备铸铁超疏水耐腐蚀表面的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一，将待处理的铸铁表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铸铁样品；步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铸铁样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述铸铁样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的铸铁样品；步骤三，利用激光加工技术，采用短脉冲激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净铸铁样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描采用多棱镜系统进行光束扫描，多棱镜扫描的速度为1m/s-800m/s，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，样品相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；步骤四，将步骤三所述得到的表面经过激光加工处理后的铸铁样品放入恒温恒湿电热干燥箱内烘烤，即得到所述铸铁超疏水耐腐蚀表面；其中，步骤三所述的短脉冲激光器波长小于1550nm，平均功率小于80W，激光加工参数为：脉宽大于10ns，单脉冲能量小于1.03mJ；步骤四中所述电热干燥箱内的压力为普通大气压，湿度为40%-60%RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为2-8小时，所述电热干燥箱内的温度误差为±1℃。2.如权利要求1所述的一种利用短脉冲激光制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈列，刘顿，张德生，彼得班尼特，翟中生，娄德元，杨奇彪，吴颖，胡勇涛，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42