CN109954966A - 通过飞秒激光进行金属表面处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过飞秒激光进行金属表面处理的方法。包括以下步骤：将金属件表面进行打磨处理；通过飞秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；将吹干后的金属件置于室温环境下一段时间。本申请不需要复杂的后续的表面加工处理流程，只需要在室温下保持一段时间，且能够具有优良的表面疏水效果，工艺简单，加工效率高，且工件的表面疏水性能好。

Description

通过飞秒激光进行金属表面处理的方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种通过飞秒激光进行金属表面处理的方法。

背景技术

固体或溶液的疏水性即水在疏水性表面时会形成一个很大的接触角而成水滴状，从而使水很难附着在表面。当产品的表面具有疏水性时，其难以附着灰尘且具有自清洁效果。

目前，在产品表面进行疏水性加工存在工艺比较复杂、制备工艺影响产品原本的功能特性、需要进行表面修饰后处理、制备所需的化学废液需要特定回收处理、疏水耐久性差的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种通过飞秒激光进行金属表面处理的方法。

一种通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，包括以下步骤：

将金属件表面进行打磨处理；

通过飞秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；

对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；

将吹干后的金属件置于室温环境下一段时间。

在其中一个实施例中，在室温环境下的时间为10天。

在其中一个实施例中，采用飞秒激光加工时，激光器的中心波长为1030nm，脉宽为700fs-1000fs，输出的平均功率为3.5W-5W，重复频率为400kHz-800kHz。

在其中一个实施例中，采用飞秒激光加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为2000mm/s-4000mm/s，扫描次数为100次-300次。

在其中一个实施例中，在打磨处理的步骤中，将所述金属件浸入酒精中超声清洗5min-10min，然后通过热风对所述金属件进行吹干。

在其中一个实施例中，所述对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干的步骤中，通过酒精超声清洗5min-10min后，通过氮气进行吹干。

在其中一个实施例中，通过激光加工系统加工所述金属的表面以得到具有微纳米复合结构的表面，所述激光加工系统包括：用于产生激光的飞秒激光器，以及沿着所述激光路径布置的反射镜组、扩束镜、扫描振镜和F-Theta镜头，还包括用于放置所述打磨处理后的金属件的移动平台，所述激光通过F-Theta镜头聚焦后作用于位于所述移动平台上的金属件。

在其中一个实施例中，位于所述移动平台上的金属件置于室温环境中。

在其中一个实施例中，所述金属件为铜锌合金材料。

在其中一个实施例中，室温环境下的温度为22℃-28℃，相对湿度为65±20％RH。

有益效果：

1)采用飞秒激光器，有着很短的脉冲持续时间和较高的峰值功率，产生的热效应影响非常小，可以实现金属表面的微纳米级别的精细加工；

2)采用飞秒激光在金属表面直接加工出微纳米复合结构，该方法工艺简单、技术成熟、加工效率高；

3)不需要进行复杂的表面修饰后处理，整个过程无需有毒或腐蚀性化学药剂的辅助，避免了易燃易爆、危害健康、废液处理等安全问题，绿色环保；

4)激光加工后在室温环境放置后的铜锌合金，和氧气作用在表面形成氧化铜，并且与空气中的含碳化合物结合，降低了表面能，使其具备超疏水特性；

5)制得的表面具有良好的疏水耐久性，且表现出优异的自清洁功能。

6)本发明方法安全可靠、绿色环保，具有良好的可控性、灵活性、可重复性，可大面积和批量加工，易于实现工业化。

附图说明

图1为本申请一个实施例中的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法的流程示意图；

图2为本申请一个实施例中的激光加工系统的结构示意图；

图3为本申请一个实施例中金属件的微纳米复合结构的电镜图；

图4为本申请一个实施例中的水滴的静态接触角随着时间变化的折线图；

图5为本申请一个实施例中的水滴在金属件上的状态示意图；

图6为本申请一个实施例中的水滴在金属件表面将金属表面的纸屑带走状态的示意图。

附图标记：110、飞秒激光器；120、反射镜组；130、扩束镜；140、扫描振镜；150、F-Theta镜头；160、金属件；170、移动平台。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明公开内容的理解更佳透彻全面。

图1为一个实施例中的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法的流程示意图。包括以下步骤：

S100、将金属件表面进行打磨处理。

打磨处理的目的就是将金属表面的氧化层及杂质去除，暴露出内部的具有光亮色泽的金属。例如，可以采用砂纸对金属表面进行打磨抛光处理。可以先后通过大粒径的砂纸进行粗打磨和通过小粒径的金属进行细打磨，直至暴露出较亮的金属色泽。为了使金属表面的光洁度更加好，还可以对砂纸打磨后的金属使用研磨膏进行抛光处理。打磨处理后的金属迅速浸入酒精中进行超声波清洗。清洗的时间优选为5min-10min。然后用热风对金属表面吹干净，得到具有洁净表面的金属。

S200、通过飞秒激光加工打磨处理后的金属件160的表面以得到具有微纳米复合结构的表面。

激光按照脉冲时间长短分为纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光。其中，1纳秒等于10^-9秒，1皮秒等于10^-12秒，1飞秒等于10^-15秒。由于纳秒激光的长脉冲宽度和低激光峰值功率造成材料熔化并持续蒸发，虽然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是对材料的热效应依然很大，限制了加工的精度。使用飞秒激光有脉宽短、峰值功率高的特点，可以有效减少热效应的影响，提高加工质量。

图2为一个实施例中的激光加工系统的结构示意图。如图2所示，激光加工系统包括用于产生激光的飞秒激光器110，沿着激光路径布置的反射镜组120、扩束镜130、扫描振镜140和F-Theta镜头150，还包括用于放置打磨处理后的金属件160的移动平台170，激光通过F-Theta镜头150聚焦后作用于位于移动平台170上的金属件160。

飞秒激光器110发出的经过强度调节后的激光经过反射镜组120反射后，再经过扩束镜130扩束，扫描振镜140包括了X轴方向和Y轴方向的转动式反射镜，根据反射定律，激光入射反射镜后会以一定的角度的反射，改变反射镜的角度可以使激光朝向不同的方向传播，激光经过扫描振镜140后从F-Theta镜头150射出，并聚焦到移动平台170上的金属件160上。移动平台170能够带动金属件160移动，配合扫描振镜140使激光照射方向发生改变使金属件160整个表面都能够被加工到。本实施例中，移动平台170是直接放置在大气环境中，对环境的要求低，操作更加便捷。

飞秒激光是一种超短脉冲的激光，具体地，采用激光器的中心波长为1030nm，脉宽为700fs-1000fs，输出的平均功率为3.5W-5W，重复频率为400kHz-800kHz进行加工。加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为2000mm/s-4000mm/s，扫描次数为100次-300次。

采用上述工艺，激光与材料相互作用的时间很短，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响。加工得到的微纳米复合结构的表面具有精度高，材料表面结构稳定性强的优点。因此，后续步骤中不需要经过复杂的表面修饰处理，使得材料表面具有超疏水性。由于材料表面结构稳定性强，其疏水性也能加耐久，且具有优异的自清洁功能。通过省略了后续复杂的表面处理工序，简化了表面加工处理流程，提高了加工效率。

其中，上述微纳米复合结构是在材料表面形成具有微米级别和纳米级别的凹凸复合结构。其电镜图如图3所示，从图3中所示，由于飞秒激光处理后，其对加工附近区域的热影响小，使得材料表面能够形成阵列式均匀排布的微米级别的波峰结构，以及布满在波峰表面的纳米级波纹颗粒结构。其中，波峰结构的平均长度在X轴方向为28.29μm，在Y轴方向的平均长度为28.49μm。由于这些波峰结构整齐的布置在材料表面，使得材料表面的力学性能更加均衡稳定，且疏水性能更加均匀，由于纳米级波纹颗粒布满波峰表面，使得金属件与水直接形成更多的空气间隙，大大提高了疏水性能；进一步地，由于该微纳米复合结构有上述工艺处理后形成，不会像氧化层一样容易被磨损掉，进而提高了金属件表面疏水性能的耐久性。其中，波峰和波谷的高度差平均在17μm，表面粗糙度Ra的平均值在6.38μm。

S300、对具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干。

将激光加工后的金属件浸入酒精中超声波清洗5min-10min，然后用氮气吹干。

S400、将吹干后的金属件置于室温环境下一段时间。

其中，室温环境为温度22℃-28℃，相对湿度为65±20％RH的环境，且处理的金属件为合金材料，优选的为铜锌合金材料，试验发现，本申请各实施例的方案对铜锌合金具处理具有更好的表面疏水效果。在室温环境中处理的时间为10天。在室温环境中，金属件表面缓慢的与氧气作用形成氧化膜，并且与空气中的碳化合物结合，降低了表面能，使其具备超疏水自洁净功能。

其中，表面能是创造物质表面时对分子间化学键破坏的度量，把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所增加的能量相等，即表面能增加。根据能量最低原理，这部分增加的能量是不稳定的。为了使金属件的表面能稳定，通过在室温环境中处理10天，金属件表面的原子重组或相互间的反应，或者对周围其他分子或原子产生吸附，从而使表面能量降低。从而使得金属件保持不易吸附水的能力，配合激光加工得到的微纳米结构，使得金属件表面具有较高的疏水能力。

本申请的技术方案，只需要在室温环境下放置一段时间，而不需要复杂的表面修饰后处理过程，整个过程可以无需有毒或腐蚀性化学药剂的辅助，避免了易燃易爆、危害健康、废液处理等安全问题，绿色环保。

例如，采用激光器的中心波长为1030nm，脉宽为900fs，输出的平均功率为4.8W，重复功率为500kHz，交叉扫描幅面为20mm*20mm，扫描间距为30um，扫描速度为2500mm/s，扫描次数为200次处理金属件，并在室温环境中处理10天后，其静态接触角随着时间的变化如图4所示。图5为水滴在金属件上的状态示意图，图5中的θ表示静态接触角，若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动；若θ>150°，则固体表面具备超疏水特性。

从图4中可以得到，金属表面经过飞秒激光加工并在室温环境中处理10天后，其静态接触角最大，可以达到157.1°。随着时间的推移，静态接触角会稍有减小，但始终保持在150°以上。。如图6所示，金属表面有白色的纸屑，当水滴在金属表面形成团状，不易附着在金属表面，且水滴下滑能够将纸屑带走，表示了金属表面具有良好的自清洁性能。

表1为在室温环境中处理10天，在激光器中心波长为1030nm时，不同激光参数下对铜锌合金进行加工得到的3μL水滴的静态接触角的关系。

从表1中可以得到，激光器的中心波长为1030nm，脉宽为700fs-1000fs，输出的平均功率为3.5W-5W，重复频率为400kHz-800kHz，扫描间距为20um-40um，扫描速度为2000mm/s-4000mm/s，扫描次数为100次-300次时，在室温环境中处理10天后，静态接触角均大于150°，证明工件表面具备良好的超疏水特性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将金属件表面进行打磨处理；

通过飞秒激光加工打磨处理后的金属件的表面以得到具有微纳米复合结构的表面；

对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干；

将吹干后的金属件置于室温环境下一段时间。

2.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，在室温环境下的时间为10天。

3.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，采用飞秒激光加工时，激光器的中心波长为1030nm，脉宽为700fs-1000fs，输出的平均功率为3.5W-5W，重复频率为400kHz-800kHz。

4.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，采用飞秒激光加工时，激光加工路径为交叉扫描，扫描间距为20um-40um，扫描速度为2000mm/s-4000mm/s，扫描次数为100次-300次。

5.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，在打磨处理的步骤中，将所述金属件浸入酒精中超声清洗5min-10min，然后通过热风对所述金属件进行吹干。

6.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，所述对所述具有微纳米复合结构的表面进行清洗并吹干的步骤中，通过酒精超声清洗5min-10min后，通过氮气进行吹干。

7.根据权利要求1所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，通过激光加工系统加工所述金属的表面以得到具有微纳米复合结构的表面，所述激光加工系统包括：用于产生激光的飞秒激光器，以及沿着所述激光路径布置的反射镜组、扩束镜、扫描振镜和F-Theta镜头，还包括用于放置所述打磨处理后的金属件的移动平台，所述激光通过F-Theta镜头聚焦后作用于位于所述移动平台上的金属件。

8.根据权利要求7所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，位于所述移动平台上的金属件置于室温环境中。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，所述金属件为铜锌合金材料。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的通过飞秒激光进行金属表面处理的方法，其特征在于，室温环境下的温度为22℃-28℃，相对湿度为65±20％RH。