CN115198226B - 基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法，其加工系统包括飞秒激光器、凹透镜、凸透镜、道威棱镜、第一反射镜、第二反射镜、二向色镜、加工物镜、气体喷嘴、三维移动平台、成像透镜、半透半反镜、白色光源、工业相机，所述飞秒激光器、凹透镜、凸透镜、道威棱镜、第一反射镜依次设置在第一光轴上，所述第一反射镜折射出光线正对有第二反射镜，所述第二反射镜折射光线正对有二向色镜。本发明利用飞秒激光扫描金属材料表面，通过在材料表面诱导产生氧化层和引入残余压应力提高金属材料的抗腐蚀性能；该技术可以加工任何材料，加工形成的表面涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高，不易剥落。

Description

基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，特别是涉及基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法。

背景技术

腐蚀是金属材料常见的一种失效模式，据统计，每年由于金属腐蚀而导致的经济损失大约占国民生产总值的2％-3％，危害极大。在实际的工程中，为了提高金属部件的抗腐蚀性能，通常在材料的表面制备耐蚀涂层，采用的主要技术有：电镀、离子镀、化学转化、有机涂层、热喷涂和阳极氧化等，但这些技术均存在一定的弊端，例如，电镀、离子镀、化学转化和阳极氧化等技术所使用的电解液对环境的污染较大，而有机涂层和热喷涂等技术制备的涂层与基体的结合力较差，服役过程中容易发生剥落，导致耐蚀性能下降。因此，迫切需要采用新的技术来提高金属材料的抗腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法，其加工系统包括飞秒激光器、凹透镜、凸透镜、道威棱镜、第一反射镜、第二反射镜、二向色镜、加工物镜、气体喷嘴、三维移动平台、成像透镜、半透半反镜、白色光源、工业相机，所述飞秒激光器、凹透镜、凸透镜、道威棱镜、第一反射镜依次设置在第一光轴上，所述第一反射镜折射出光线正对有第二反射镜，所述第二反射镜折射光线正对有二向色镜，所述二向色镜分出光束经过加工物镜照射到三维移动平台上的加工样品上，所述二向色镜外侧设置有白色光源、工业相机，所述白色光源、所述工业相机的光线均经过半透半反镜、成像透镜、二向色镜、加工物镜照射到加工样品上，所述加工样品一侧设置有气体喷嘴。

基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

步骤一、将待加工样品置于去离子水中超声清洗，然后置于空气中干燥；

步骤二、将步骤一中加工样品固定到加工系统中的三维移动平台上，随三维移动平台的移动完成既定路径的加工；

步骤三、开启飞秒激光器、白色光源、工业相机，白色光源照明光通过半透半反镜、成像透镜、二向色镜、加工物镜照射到样品表面，工业相机成像到计算机的显示器上，调整飞秒激光器与加工样品间的距离，使飞秒激光斑刚好聚集在加工样品上，采用脉冲式逐点扫描的方法进行样品的加工，在计算机系统中设定激光光斑直径，根据样品待加工区域和光斑的大小进行轨迹规划；

步骤四、通过计算机系统设定飞秒激光器的能量为150μj、光斑大小为15μm，相邻光斑间距为5μm，脉冲频率为50kHz；打开气体喷嘴，气压设置为0.6MPa；控制三维移动平台移动进行扫描加工；

步骤五、加工完成后，将样品取下，再次置于去离子水中超声清洗，之后置于空气中晾干。

进一步地：所述飞秒激光器脉冲为290fs，波长为1030nm，重复频率为50kHz，离焦为0mm，输出激光能量为10μJ到240μJ。

进一步地：所述步骤一中超声清洗30min，空气干燥30min。

进一步地：所述步骤三中光斑运动轨迹为“之”字形，且相邻光斑之间相互覆盖。

进一步地：所述步骤三中加工前对运动轨迹进行校验，将加工区域粘贴保护胶带，再进行开机运行，观察烧蚀区域和路径是否与既定设计路径一致。

进一步地：所述步骤五中超声清洗5min。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用飞秒激光扫描金属材料表面，通过在材料表面诱导产生氧化层和引入残余压应力提高金属材料的抗腐蚀性能；该技术可以加工任何材料，加工形成的表面涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高，不易剥落。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的加工系统的结构示意图；

图2是本发明的加工轨迹结构示意图；

图3是本发明的铝合金试样基体区的表面EDS结果图；

图4是本发明的铝合金试样飞秒激光处理后的表面EDS结果图；

图5是本发明的7075铝合金飞秒激光处理后表面的残余应力分布图；

图6是本发明的7075铝合金飞秒激光处理后电化学腐蚀的极化曲线图；

图7是本发明的铝合金试样未处理的表面腐蚀情况图；

图8是本发明的铝合金试样飞秒激光处理后的表面腐蚀情况图。

附图标记说明如下：

1、飞秒激光器；2、凹透镜；3、凸透镜；4、道威棱镜；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、二向色镜；8、加工物镜；9、加工样品；10、气体喷嘴；11、三维移动平台；12、成像透镜；13、半透半反镜；14、白色光源；15、工业相机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图2所示，基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法，其加工系统包括飞秒激光器1、凹透镜2、凸透镜3、道威棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、二向色镜7、加工物镜8、气体喷嘴10、三维移动平台11、成像透镜12、半透半反镜13、白色光源14、工业相机15，飞秒激光器1、凹透镜2、凸透镜3、道威棱镜4、第一反射镜5依次设置在第一光轴上，凹透镜2、凸透镜3对飞秒激光器1发射光束扩束以控制飞秒激光光束的直径，第一反射镜5折射出光线正对有第二反射镜6，第二反射镜6折射光线正对有二向色镜7，通过道威棱镜4和第一反射镜5、第二反射镜6、二向色镜7协同控制，达到对试样表面功能形貌刻蚀路线的控制，二向色镜7分出光束经过加工物镜8照射到三维移动平台11上的加工样品9上，二向色镜7外侧设置有白色光源14、工业相机15，白色光源14、工业相机15的光线均经过半透半反镜13、成像透镜12、二向色镜7、加工物镜8照射到加工样品9上，二向色镜7、工业照相机15和白光光源14构成成像模组，由成像模组得到飞秒激光加工的实时照片，加工样品9一侧设置有气体喷嘴10，通过吹出高速气体以减少刻蚀飞溅物对表面的影响。

基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

步骤一、将待加工铝合金样品置于去离子水中超声清洗30min，然后置于空气中干燥30min；

步骤二、将步骤一中铝合金样品固定到加工系统中的三维移动平台11上，随三维移动平台11的移动完成既定路径的加工；

步骤三、开启飞秒激光器1、白色光源14、工业相机15，白色光源14照明光通过半透半反镜13、成像透镜12、二向色镜7、加工物镜8照射到样品表面，工业相机15成像到计算机的显示器上，调整飞秒激光器1与加工样品9间的距离，使飞秒激光斑刚好聚集在铝合金样品上，采用脉冲式逐点扫描的方法进行样品的加工，在计算机系统中设定激光光斑直径，根据样品待加工区域和光斑的大小进行轨迹规划，光斑运动轨迹为“之”字形，且相邻光斑之间相互覆盖，加工前对运动轨迹进行校验，将加工区域粘贴保护胶带，再进行开机运行，观察烧蚀区域和路径是否与既定设计路径一致，若一致，继续步骤四，若不一致，重新进行轨迹规划以复合要求；

步骤四、通过计算机系统设定飞秒激光器1的能量为150μj、光斑大小为15μm，相邻光斑间距为5μm，脉冲频率为50kHz；打开气体喷嘴10，气压设置为0.6MPa；用以及时吹除激光烧蚀过程中产生的碎屑，整个加工在空气条件下进行，加工时注意观察激光的扫描路径，若出现偏离及时停止；

步骤五、加工完成后，将样品取下，再次置于去离子水中超声清洗5min，去除表面的加工残渣，之后置于空气中晾干。

进一步地：对飞秒激光强化后的铝合金试样进行性能测试以验证加工效果，通过EDS能谱分析表征激光烧蚀区是否产生氧化层，通过X射线无损检测的方法测定加工区域表面残余压应力的大小和分布情况。若表面产生氧化层并且引入了残余压应力，之后进行电化学腐蚀测试，电解液为0.6M氯化钠溶液，强化后铝合金作为工作电极，测定强化墙厚铝合金的腐蚀电流密度、腐蚀电位和腐蚀速率等参数，验证飞秒激光强化后铝合金腐蚀性能是否得到提升。

如图3、图4所示：对铝合金试样进行飞秒激光处理和未处理样品表面元素分布分析，铝合金材料在经过飞秒激光处理后，表面生成氧化层结构，该氧化层可以有效的保护内部基体材料与介质接触，从而提升材料的抗腐蚀性能；

如图5所示：通过X射线无损检测的方法测定加工区域表面残余压应力的大小和分布情况；从残余应力测试结果得到，飞秒激光强化在铝合金表面引入了较大残余压应力，残余应力随着激光能量的增加而增加；不同能量在表面引入了300-400MPa不等的残余压应力；

如图6所示：通过电化学腐蚀飞秒激光处理后7075铝合金的极化曲线，虽然腐蚀电位有所下降，但腐蚀电流密度要小于未处理样品，根据Tafel反推拟合，得到处理前后样品的腐蚀性能，结果如下表所示，对比未处理样品0.035465mm·A^-1的腐蚀速率，飞秒激光处理后的样品腐蚀速率为0.018764mm·A^-1，腐蚀速率降低了97％；

	腐蚀电流密度/(A·cm-2)	腐蚀电位/V	腐蚀速率/(mm·A-1)
				未处理试样	3.38E-06	-0.7752	0.035465
飞秒激光处理试样	1.79E-06	-0.85579	0.018764

如图7、图8所示：经过腐蚀后的表面形貌结果，腐蚀后的试样表面均出现了点蚀坑，对比发现未处理样品表面的点蚀坑要远远多于飞秒激光处理后的样品，表明未处理样品表面发生了更为严重的腐蚀。

从上述测试结果可以看出，飞秒激光在铝合金表面诱导产生了氧化层结构，并引入了较高数值的残余压应力，电化学腐蚀试验结果表明飞秒激光表面处理后腐蚀速率降低了97％，抗腐蚀性能得到了大幅提升。

Claims (5)

1.飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的应用，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将铝合金置于去离子水中超声清洗，然后置于空气中干燥；

步骤二、将步骤一中铝合金固定到加工系统中的三维移动平台(11)上，随三维移动平台(11)的移动完成既定路径的加工；

步骤三、开启飞秒激光器(1)、白色光源(14)、工业相机(15)，白色光源(14)照明光通过半透半反镜(13)、成像透镜(12)、二向色镜(7)、加工物镜(8)照射到样品表面，工业相机(15)成像到计算机的显示器上，调整飞秒激光器(1)与铝合金间的距离，使飞秒激光斑刚好聚集在铝合金上，采用脉冲式逐点扫描的方法进行样品的加工，在计算机系统中设定激光光斑直径，根据样品待加工区域和光斑的大小进行轨迹规划，其中，所述飞秒激光器(1)脉冲为290fs，波长为1030nm，重复频率为50kHz，离焦为0mm，输出激光能量为10μJ到240μJ；

步骤四、通过计算机系统设定飞秒激光器(1)的能量为150μj、光斑大小为15μm，相邻光斑间距为5μm，脉冲频率为50kHz；打开气体喷嘴(10)，气压设置为0.6MPa；控制三维移动平台(11)移动进行扫描加工；

步骤五、加工完成后，将样品取下，再次置于去离子水中超声清洗，之后置于空气中晾干，整个加工是在空气条件下进行。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的应用，其特征在于：所述步骤一中超声清洗30min，空气干燥30min。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的应用，其特征在于：所述步骤三中光斑运动轨迹为“之”字形，且相邻光斑之间相互覆盖。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的应用，其特征在于：所述步骤三中加工前对运动轨迹进行校验，将加工区域粘贴保护胶带，再进行开机运行，观察烧蚀区域和路径是否与既定设计路径一致。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的应用，其特征在于：所述步骤五中超声清洗5min。