[发明专利]一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法

说明书

本发明公开了一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法，所述制备步骤主要包括：1)清洗基底：对非晶合金基底进行清洗；2)激光表面微织构：利用紫外纳秒激光束在非晶合金基底表面加工微纳结构；3)低温热处理：将步骤2)处理后的非晶合金基底在真空干燥箱中进行低温热处理；本发明通过紫外激光加工与低温热处理共同作用，制备的非晶合金表面展现出了表面微纳结构与表面化学的改变，从而实现了超亲水向超疏水特性的转变，激光微织构非晶合金表面的显微硬度也得到了显著提升。

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种基于激光微织构的非晶合金功能化表面制备方法。

技术背景

非晶合金，又称金属玻璃，具有“短程有序，长程无序”的特殊微观结构，展现出普通晶态金属无可比拟的物理和机械性能，如高强度、高硬度、低杨氏模量、优良的抗腐蚀/抗磨损性能及优异的磁性，这使得非晶合金在机械、材料、微电子和医疗器械等诸多领域具有巨大的潜在应用前景。因此，近十年来，非晶合金的成形与加工技术成为相关科研人员的热门研究方向，包括铜模铸造、热塑成形、磁控溅射和电弧氧化等在内的众多技术已经被广泛的应用于非晶合金的加工成形过程中。然而，随着复杂非晶合金结构件的发展，以上传统制造工艺已很难满足要求，铜模铸造法的成形效率较高，但是其非晶合金结构件成形尺寸有一定的限制；热塑成形方法成形精度较高，但是成形尺寸仍有限制，同时粉末成分要求严格，加工方面的车削和电火花加工技术则在加工过程中极易造成非晶材料晶化。

因此，探索非晶合金的高效加工成形技术已成为当务之亟。激光材料加工作为一种具备高精度、高过程灵活性、高自动化程度和低环境污染等优势的先进加工工艺，近年来获得了广泛关注。使用脉冲激光加工非晶合金，可以将加热和冷却周期控制在较小范围内，从而在提高材料性能的同时最大程度上避免晶化。本领域近些年已有一部分成果发表：Huang等人利用纳秒脉冲激光在锆基块体非晶合金上制备多级微纳结构，激光改性后的非晶合金成功增大了有效表面积，而且在保持了非晶态的同时表面化学元素分布非常均匀(Huang H,Jun N,Jiang M,Ryoko M,Yan J,Materials and Design,2016,109:153–161)。Jiao等人使用纳秒激光微织构方法在锆基块体非晶合金上制备周期性表面结构，包括凹坑和沟槽结构，测试结果表明非晶合金的润湿性和生物相容性与激光作用后的表面粗糙度和表面化学密切相关，说明激光微织构过程对于非晶合金表面性质有很大影响(Jiao Y,Brousseau E,Han Q,Zhu H,Bigot S.,Journal of Materials Processing Technology,2019,273:116232；Jiao Y,Brousseau E,Shen X,Wang X,Han Q,Zhu H,Bigot S,He W,Journal of Materials Processing Technology,2020,283:116714；Jiao Y,BrousseauE,Nishio Ayre W,Gait-Carr E,Shen X,Wang X,Bigot S,Zhu H,He W.,Applied SurfaceScience,2021,547:149194)。Du等人利用飞秒激光在四种不同的锆基块体非晶合金上制备激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，实验结果表明激光制备的表面结构可以有效降低细菌在表面的黏附率，从而提升其抗菌性能(Du C,Wang C,Zhang T,Yi X,Liang J,Wang H.,Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part H:Journal ofEngineering in Medicine,2020,234(4):387–397.)。姚燕生等人利用飞秒激光在锆基块体非晶合金上制备直线结构，并发现激光处理后，非晶合金的亲水性和耐腐蚀性明显提升，因此其作为植入体在人体内的适用性显著增强(姚燕生,唐建平,张亚超,胡衍雷,吴东,中国激光,2021,48(2):0202012)。中国专利CN113278903A公开了一种激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面硬度的方法，其主要是通过外加碳化硅颗粒介质，在及近红外(1064nm)的纳秒脉冲激光辐照下提升锆基非晶合金表面的硬度。其制备的锆基非晶合金表面的硬度较大，但需要引入大量的碳化硅介质，成本过高。中国专利CN112553569B公开了一种纳秒激光碳化提高锆基非晶合金表面硬度的方法，其主要通过利用碳元素与锆元素在高温条件下反应生成碳化锆相的特性，在锆基非晶合金表面引入碳化锆相，实现其表面硬度的大幅提升，但该发明借助近红外(1064nm)的纳秒脉冲激光辐照，脉冲频率高达600～800kHz，以及通过外加石墨粉在高温的条件下获得碳化锆相，成本大幅度增加，并未实现超疏水性。因此，根据现有研究工作表明，激光加工已成为非晶合金加工与制造的一种重要方法和手段，特别是在表面改性和功能化领域展现出了较好发展和应用前景。