一种红外纳秒激光制备航空铝合金表面可控润湿性方法技术

本发明专利技术涉及激光加工材料表面领域，具体提供一种红外纳秒激光制备航空铝合金表面可控润湿性方法。使用蛇形顺序进行激光毛化构建矩形微孔阵列的制备方法，主要通过红外纳秒激光在铝合金表面构建阵列微孔结构，来改变铝合金表面的润湿性。同时，通过控制工艺参数，既可以达到铝合金表面的亲水效果，也可以达到铝合金表面的疏水效果。通过本发明专利技术进一步使铝合金表面润湿性改变方法得到改善，可以轻松应用于不同亲疏水要求的场景。同亲疏水要求的场景。同亲疏水要求的场景。

【技术实现步骤摘要】
一种红外纳秒激光制备航空铝合金表面可控润湿性方法


[0001]本专利技术属于激光加工材料表面
，是激光毛化铝合金材料表面润湿性方面的技术，具体涉及一种通过红外纳秒激光毛化来构建航空铝合金表面亲水和疏水微观结构的方法。

技术介绍

[0002]目前对于材料表面的润湿特性都有广泛的研究，不论是亲水性还是疏水性在不同的领域都会有所引用。比如亲水性很多应用在热交换器等方面。而对于疏水性而言，因其具有防潮、自清洁等优点，也广泛应用在工业领域。想要改变材料表面的润湿特性，目前大部分还是在使用增加涂层以及构建微观形貌的方法。使用涂层改变润湿性，增加疏水性的方法如中国专利《一种提升铝合金表面疏水耐腐性能的方法》，公开号为CN110670069A，公开日为2020.01.10。该方法自制了纤维表面含有羟基的铝
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氧化铝复合纤维，通过产生酯化反应，将部分羟基接枝到铝合金表面，然后通过加热的方法将铝
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氧化铝复合纤维粘附在铝合金的表面，这样可以在其表面形的均匀的微坑，同时由于酯基的存在也大大提高了铝合金表面疏水性能。此种方法可以提高铝合金表面的疏水性，同时增强耐腐蚀性能.但是该方法需要自制相应的涂层，在仅需要疏水表面时使用涂层会增大成本，并且添加涂层虽然达到了疏水的表面，但无法控制达到更为亲水的表面。
[0003]使用两段激光处理相结合在铝合金表面构建疏水的微观形貌，如中国专利《一种铝合金表面疏水处理工艺》，公开号为CN109865949A，公开日为2019.06.11。该方法使用了两段不同参数的激光对铝合金板进行处理，首先用一段高脉宽、高能量密度的激光在氮气气氛下对铝合金表面进行均匀处理，之后在乙醇溶液中清洗，然后使用低脉宽、低能量密度的第二段激光进行均匀处理，在加工完成后最后在进行清洗。使用此方法可以达到铝合金表面的疏水性，但在使用激光处理时使用了两段激光处理，并且在途中还要进行乙醇溶液浸泡清洗处理，同时还需要氮气气体环境，整体工序较多，方法比较繁琐。
[0004]使用超快激光构建特殊表面形貌增加疏水性的方法，如中国专利《蚁穴状超疏水表面及其制备方法》，公开号为CN115922092A，公开日为2023.04.07。此方法通过超快激光在铝合金表面加工微米沟槽，形成有利于材料表面气层的存在和维持的蚁穴状超疏水表面，可以提高材料表面的超疏水性能，并且具有一定的稳定性。此方法可以达到铝合金的疏水表面，但是在激光照射过程中，需要在微米沟槽中掺杂非晶氧化硅，同时也缺乏亲水表面相关的设计。
[0005]总之，上述方法在为铝合金制备疏水性表面时都有巨大应用，但使用涂层的方法需要自制相应涂层，并且如果铝合金用在特殊部位，还需要考虑涂层是否会影响铝合金在特殊环境下的正常使用，以及涂层的稳定性。而对于使用激光微加工的方法目前也已经成为广泛的应用，上述使用二段激光进行加工时相对一道激光加工更加繁琐，又或者在加工微沟槽中需要添加其他物质。同时，整体对于亲水方向都没有进行考虑设计。因此，需要一种简单便捷的方法可以使铝合金表面达到疏水性，同时可以通过改变简单的加工参数达到
亲水性，实现可控的铝合金表面润湿性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于使用简便的方法对于铝合金的表面润湿性进行可控改变，当需要疏水表面时，比如在自清洁、增强胶接性能等使用环境下，可以使用该方法完成制备铝合金疏水表面；当需要亲水表面时，如热交换器等配件，用于去除异味，提升热交换效率等需求时，也可以制备铝合金亲水表面。
[0007]本专利技术的技术方案中红外纳秒激光毛化制备航空铝合金表面可控润湿性方法的特征在于；
[0008](1)相比于目前常用的沟槽式阵列构建金属表面微结构，本专利技术使用激光微孔整列来进行表面微结构的构建，通过超快激光在短时间内对材料表面的融化或汽化来达到表面的规律性凸起与微孔。在阵列过程中，选用为矩形阵列，所用激光毛化排列顺序为蛇形排列，如图1所示。
[0009](2)通过激光对铝合金表面进行微结构的改变后，经过测试已经达到目的要求，不需要其他的多余后处理，可以省去在加工后还要在表面进行其他涂层的步骤，不仅节省成本，而且可以缩短总工艺流程。并且在整个激光加工的过程中不需要在微孔中掺杂其他物质，也不需要在激光加工前进行添加涂层的前处理。
[0010](3)本方法操作简单，对于控制表面润湿性也更加方便，只需要简单改变相应的参数就可以轻松达到表面的疏水性或者亲水性。
[0011](4)本专利技术使用的为IPG红外纳秒激光器，最大功率可以达到300W，在进行激光阵列时，想要改变润湿性需要相应改变的参数为激光能量，使用不同的激光能量可以达到亲水或疏水的表面。使用的其他主要参数为烧蚀次数为1次；激光烧蚀速度为1000mm/s；跳转速度为100mm/s；激光频率为100KHz；脉冲宽度为240ns；微孔阵列间距为0.8mm；跳转延时为350μs；开光延时为50μs；拐点延时为1μs；关光延时为260μs；标刻延时为300μs；振幅为1mm。未加工试样的接触角为88.22
°
，如图2所示。而对于变化参数激光能量，若要达到疏水效果可选0.4mJ
‑
1.0mJ，若要达到更亲水性可选激光能量为1.2mj
‑
1.8mj。
具体实施方式
[0012]本专利技术的具体实施方式为红外纳秒激光毛化制备航空铝合金表面微结构，以此来达到润湿性的改变。
[0013]用于上述实施方式的激光毛化方法的具体步骤如下：
[0014]步骤一：将待加工的铝合金表面进行初步的前处理，使用超声波清洗对其表面进行清洗，去除杂质，之后等待干燥；
[0015]步骤二：调整激光加工振镜到加工平面距离，保证需加工工件在焦距位置，确保为零离焦；
[0016]步骤三：按照该方法的特征，进行表面微孔阵列的图案绘制，并使用该方法进行相应参数的设置；
[0017]步骤四：将加工工件放置在加工平面，开启激光指导光，进行初步加工预览，以此精确确定激光毛化位置；
[0018]步骤五：关闭激光指导光，开始实施激光毛化，完成加工。
[0019]使用本专利技术来改变铝合金表面润湿性不需要自制涂层，只需要通过简单的前处理，使用蛇形顺序来进行激光毛化，在表面构建微孔整列，就可达到改变润湿性的目的，并且整体激光毛化过程只需要一次激光处理，无需二次加工处理。也没有使用大部分工业所使用的沟槽表面整列，使用表面微孔阵列的好处在于控制激光能量的不同，可以达到表面不同的微孔形貌，进而达到控制表面润湿性的功能。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本专利技术进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0021]图1是本专利技术使用激光毛化时所用蛇形排列顺序示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外纳秒激光制备航空铝合金表面可控润湿性方法，该方法的具体步骤如下：(1)：将待加工的铝合金进行初步的前处理，用超声波清洗设备对表面进行清洗、干燥；(2)：调整激光加工振镜到加工平面距离，保证需加工工件在焦距位置，确保为零离焦；(3)：选择矩形阵列，进行表面微孔阵列的图案绘制，并对相关的主要参数进行设置：烧蚀次数为1次；激光烧蚀速度为1000mm/s；跳转速度为100mm/s；激光频率为100KHz；脉冲宽度为240ns；微孔阵列间距为0.8mm；若要达到亲水表面激光能量为1.2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星，李诚，冯杰才，沈裕航，骆传万，胡政，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：