钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，属于钛合金表面微纳复合结构制备技术领域。该方法包括以下步骤：使用纳秒激光在氮气氛围内对钛合金表面进行交叉扫描，获得微米级锥状周期结构，同时微锥结构表面形成纳米级颗粒；钛合金表面在周期微纳复合结构创成的过程被同步氮化；在氩气氛围内通过调节纳秒激光焦点位置对周期微纳复合结构表面的纳米颗粒进行去除，得到光整的微米级锥状周期结构。本发明专利技术提供的方法有效解决了钛合金表面微纳复合结构难加工问题，可显著增强其耐磨性、抗腐蚀性、光学效应和生物相容性，同时还具有成本低廉、工艺简单、效率高等优势。优势。优势。

【技术实现步骤摘要】
钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法


[0001]本专利技术涉及钛合金表面微纳复合结构制备
，特别涉及一种钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法。本专利技术可显著增强钛合金表面的耐磨性、抗腐蚀性、光学效应和生物相容性，在航空航天、船舶制造、汽车工业和医疗器械等领域具有广泛的应用前景。

技术介绍

[0002]钛合金作为一种常用的工程材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、汽车工业和医疗器械等领域。然而，由于其表面存在摩擦损耗、腐蚀性能不佳等问题，限制了其在特殊环境下的应用。为了改善钛合金表面的性能，研究人员探索通过不同加工方法在钛合金表面制备单一微/纳结构或微纳复合结构，以提高其力学、光学和化学性能。
[0003]相对于单一的微米或纳米结构，微纳复合结构具有更大的比表面积、多功能性、结构调控灵活性和协同效应增强等优势。因此，在钛合金表面制备微纳复合结构具有显著的应用价值和现实意义。研究人员通过精密车削、微铣削等机械加工方法，实现了钛合金微纳复合结构的制备，但结构精度受限于设备的加工精度。微纳米压印也是一种常见的加工方法，通过使用模具将微细结构压印到钛合金表面，缺点是结构依赖于模具的尺寸和形状，而且会引入模具磨损等问题。此外，还有离子束刻蚀、电火花加工等技术，但也都存在着各自的优点与不足。近年来，纳秒激光加工技术作为一种高效、精密的表面改性方法，受到广泛关注。利用短脉冲激光对材料表面进行加工，通过控制激光参数和处理氛围，可以在钛合金表面形成微细的结构和纳米级的表面特征。这些表面微纳复合结构具有一系列优异的特性，如增强的耐磨性、抗腐蚀性、光学效应和生物相容性等。而且，以往的周期微纳复合结构的加工通常不可逆，本专利技术提出的加工方法不仅可以灵活获得不同周期的微纳复合结构，还可以去除纳米级结构以获得周期微米级结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术通过调控氮气氛围内激光参数和扫描方式，在钛合金表面获得了周期微纳复合结构，而且表面被同步氮化。此外，在氩气氛围内实现了周期微纳复合结构表面的光整。
[0005]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，使用纳秒激光在氮气氛围内对钛合金表面进行交叉扫描，获得微米级锥状周期结构，同时微锥结构表面形成纳米级颗粒；钛合金表面在周期微纳复合结构创成的过程被同步氮化；在氩气氛围内通过调节纳秒激光焦点位置对周期微纳复合结构表面的纳米颗粒进行去除，得到光整的微米级锥状周期结构。
[0007]所述的周期微纳复合结构纳秒激光创成的激光参数包括激光功率4
‑
8W，扫描速度
5
‑
30mm/s，扫描线间距13
‑
23μm，氮气流量10L/min。
[0008]所述的微米级锥状周期结构的高度为1
‑
5μm，周期为13
‑
23μm；微锥结构表面生成的纳米级颗粒直径为50
‑
1000nm。
[0009]所述的钛合金周期微纳复合结构的同步氮化表面为淡黄色。
[0010]所述的氩气流量为5L/min，激光功率为5.4W，扫描速度为30mm/s，扫描线间距为21μm，激光焦点位置为+2mm、+1mm、0、
‑
1mm和
‑
2mm。
[0011]本专利技术的有益效果在于：通过调控氮气氛围内激光参数和扫描方式，在钛合金表面获得了纳米颗粒附着于微米级锥状结构之上的周期微纳复合结构；同时利用钛元素和氮元素的化学亲和性，在周期微纳复合结构激光创成的同时实现表面同步氮化；此外，在氩气氛围通过调节激光焦点位置实现了周期微纳复合结构中纳米级颗粒结构的去除，获得微米级锥状周期结构。本专利技术提供的方法可显著增强钛合金表面的耐磨性、抗腐蚀性、光学效应和生物相容性，还具有成本低廉、工艺简单、效率高等优势。
附图说明
[0012]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0013]图1为在激光功率5.4W，扫描速度30mm/s，扫描线间距19μm，氮气流量10L/min条件下获得的钛合金表面周期微纳复合结构三维形貌图；
[0014]图2为在激光功率5.4W，扫描速度30mm/s，扫描线间距21μm，氮气流量10L/min条件下获得的钛合金表面周期微纳复合结构三维形貌图；
[0015]图3为在激光功率5.4W，扫描速度30mm/s，扫描线间距21μm，氮气流量10L/min条件下获得的钛合金表面周期微纳复合结构扫描电镜形貌图；
[0016]图4为在激光功率5.4W，扫描速度30mm/s，扫描线间距21μm，激光焦点位置+1mm，氩气流量5L/min条件下，对图3中的周期微纳复合结构进行光整后得到的扫描电镜形貌图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。
[0018]参见图1至图4所示，本专利技术的钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，使用纳秒激光在氮气氛围内对钛合金表面进行交叉扫描，获得微米级锥状周期结构，同时微锥结构表面形成纳米级颗粒；钛合金表面在周期微纳复合结构创成的过程被同步氮化；在氩气氛围内通过调节纳秒激光焦点位置对周期微纳复合结构表面的纳米颗粒进行去除，得到光整的微米级锥状周期结构。
[0019]所述的周期微纳复合结构纳秒激光创成的激光参数包括激光功率4
‑
8W，扫描速度5
‑
30mm/s，扫描线间距13
‑
23μm，氮气流量10L/min。
[0020]所述的微米级锥状周期结构的高度为1
‑
5μm，周期为13
‑
23μm；微锥结构表面生成的纳米级颗粒直径为50
‑
1000nm。
[0021]所述的钛合金周期微纳复合结构的同步氮化表面为淡黄色。
[0022]所述的氩气流量为5L/min，激光功率为5.4W，扫描速度为30mm/s，扫描线间距为21μm，激光焦点位置为+2mm、+1mm、0、
‑
1mm和
‑
2mm。
[0023]实施例：
[0024]以Ti6Al4V合金为例，在氮气氛围内利用纳秒激光以不同的扫描间距制备周期微纳复合结构，随后在氩气氛围内使用纳秒激光对周期微纳复合结构进行光整，结合以下实施例进一步对比说明本专利技术的实施过程和有益效果。
[0025]参见图1所示，该周期微纳复合结构是在激光功率5.4W，扫描速度30mm/s，扫描线间距19μm，氮气流量10L/min条件下获取的。其中线A方向测得的微锥结构高度为2.687μm，线B方向测得的微锥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，其特征在于：使用纳秒激光在氮气氛围内对钛合金表面进行交叉扫描，获得微米级锥状周期结构，同时微锥结构表面形成纳米级颗粒；钛合金表面在周期微纳复合结构创成的过程被同步氮化；在氩气氛围内通过调节纳秒激光焦点位置对周期微纳复合结构表面的纳米颗粒进行去除，得到光整的微米级锥状周期结构。2.根据权利要求1所述的钛合金表面周期微纳复合结构纳秒激光创成与光整化方法，其特征在于：所述的周期微纳复合结构纳秒激光创成的激光参数包括激光功率4
‑
8W，扫描速度5
‑
30mm/s，扫描线间距13
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23μm，氮气流量10L/min。3.根据权利要求1所述的钛合金表面周期微纳复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，张洪洋，王超，吴浩翔，洪婧，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：