一种基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的方法与流程

1.本发明属于激光微纳制造技术领域，尤其涉及基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的方法。


背景技术：

2.金属表面着色技术是防止金属腐蚀、老化的有效方法，同时可以在外观装饰上起到一定的美化作用，展现出独特的艺术表现力。传统的金属表面着色技术有彩色搪瓷、电解质涂层、化学合成、光刻方法等。但是这些传统方法存在工艺复杂、耗时、耐磨性低、加工成本高和颜色耐久性差等缺点，这限制了金属着色技术的应用发展。相比较于传统着色方式，激光诱导金属表面着色技术具有加工精度高、效率高、颜色持久性强、绿色环保等优势，被广泛应用于汽车、医疗、航空航天和珠宝设计等领域。
3.目前，关于激光金属着色的机理主要包括：氧化膜本身的颜色、表面氧化层的薄膜干涉效应、激光诱导周期表面结构(lipsss)以及由金属纳米粒子和纳米结构激发的等离子体颜色。这几种机制下激光诱导金属表面的颜色都呈现出持久性好、耐磨性强的特点，这会影响激光着色技术的灵活性。在进行激光着色时，存在颜色效果与预期不一致的情况很常见，现有技术采用在氩气环境中利用纳秒激光进行擦拭颜色，但是还无法根据需求在对颜色表面的任意区域进行高质量的擦除和修改，仍然存在擦拭不充分等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存有的灵活性差和擦拭不充分的问题，而提出的基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的方法。本发明提出了一种在可控加工氛围中超快激光加工的方法，在可调加工氛围中可以实现对加工环境的控制和调整。通过超快激光在低氧(氮气)环境以及在液体环境(乙醇)中对金属着色区域二次扫描，采用的激光能量应低于基底材料的损伤阈值并且其能量足够加热着色表面，可以有效地减少甚至去除着色表面氧化层，从而使得表面氧元素还原到大气中。采用超快激光器可以进一步减少加热过程中的热效应，最终达到对氧化作用产生的颜色表面的氧化层中氧元素的还原，实现对着色表面的擦拭。这种方法可以实现对着色表面的任意区域的擦拭。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的方法，其特点是实现对激光着色表面的高效率及任意区域的擦拭。具体包括以下步骤：
6.步骤1：搭建加工氛围可调的超快激光加工平台
7.该加工平台由激光器、电源系统、聚焦系统、光路传输系统、工作平台和控制面板组成。激光器发出的激光经准直、扩束后入射到扫描振镜，振镜在控制面板的控制下将激光反射f-θ透镜(平场聚焦镜)，聚焦到金属表面加工。在工作平台上安置一个32cm
×
32cm的亚克力真空箱，样品在封闭的亚克力真空箱中进行激光辐照，激光透过率可达95％以上，真空
箱设有填气和排气的功能。将装满乙醇液体的表面皿放置在真空箱中，进一步减少加热过程中的热效应。
8.步骤2：加工条件的设置
9.选用基于非线性放大环形镜(nalm)的全保偏掺镱锁模光纤激光器，中心波长1030nm，重复频率0.1-8.2mhz可调，脉冲宽度3ps，采用mopa的方式将功率放大至10w。样品在激光下进行线扫描，扫描线间距为0.001mm。
10.步骤3：对金属钛着色表面的擦拭
11.i)将着色后的金属钛片置于去离子水中超声清洗5-10min，再置于乙醇中超声清洗5-10min，然后冷风吹干。
12.ii)将着色样品置于表面皿中，然后放入亚克力真空箱中，调整加工位置并确保样品在振镜扫描中心处。
13.iii)用真空泵抽去真空箱内部的氧气，一次性可抽除88.5％以上的空气，然后再往内部充入适量的氮气(99.9999％)，通入部分氮气后，再次抽真空，以此过程反复操作3次以上，以保证真空箱的含氧量尽可能的低。
14.iv)设置加工参数，激光功率为8w，重复频率8mhz，扫描速度1500mm/s，扫描线间距0.001mm。采用双向填充的方式，激光从左向右进行填充，然后按设定的填充线间距(0.001mm)移动距离在下一行进行从右向左进行填充，如此循环。
15.v)将激光擦拭后的样品置于去离子水中超声5-10min，然后在室内环境中自然风干。
16.最后在金属钛着色表面中实现了对任意区域的高质量擦拭，擦拭后表面颜色与未加工钛表面的色差极小。
17.作为优选，所述金属钛片尺寸为10mm
×
40mm
×
1mm。
18.作为优选，考虑了激光加工位置对加工效果的影响，在进行加工时定位在坐标原点处。
19.与现有技术相比，本发明的优势在于：
20.1)通过在可调的加工氛围中利用氧化还原机制实现对着色表面的擦拭，整个操作过程无污染，工艺简单。
21.2)通过本发明擦拭后表面颜色与未加工金属钛表面颜色的前后色差极小，实现高质量的擦拭。
22.3)本发明提供的着色表面可擦拭可去除方案，可以增加激光着色技术的灵活性，拓展其应用领域。
附图说明：
23.图1为本发明实施提供的加工氛围可调的超快激光加工平台的结构示意图。
24.图2为本发明加工方式及加工结果示意图。
25.图3为本发明激光擦拭着色表面的效果示意图。
26.说明书附图需要为黑白颜色，英文需要翻译为中文，图2、3中的英文翻译下，用颜色标记的描述请删除(颜色可以保留)。坐标轴记得翻译下
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下结合几个附图和实施例，对本发明做进一步说明，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。
28.如图1所示，本发明实施例提供一种基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的方法。在整个激光加工平台包括：皮秒激光器、电源系统、聚焦系统、导光系统、工作平台和控制面板组成。通过在pc端的控制软件中设定好相应的加工参数，再由pc端传输信号到控制板卡中，控制板卡分别向激光器和扫描振镜发送具体的加工信号，控制其按照所设定的输出功率、重复频率、加工速度和填充线间距进行扫描。激光器发出的激光经准直、扩束后入射到扫描振镜，振镜在控制板卡下将激光反射到f-θ透镜(平场聚焦镜)，聚焦到金属表面进行加工。其中使用的超快激光器是中心波长1030nm，重复频率0.1-8.2mhz，脉冲宽度3ps，平均功率0-10w。加工平台上放置32cm
×
32cm的亚克力真空箱，真空箱上设有充气和排气两个阀门，将样品放于装有乙醇液体的表面皿中并置于真空箱中加工。
29.本发明按照下述步骤进行对金属钛着色表面的选择性擦拭：
30.步骤1：搭建加工氛围可调的超快激光加工平台
31.参照附图1，整个激光加工平台包括：皮秒激光器、电源系统、聚焦系统、光路传输系统、工作平台和控制面板组成。激光器采用基于非线性放大环形镜(nalm)的全保偏掺镱锁模光纤激光器，中心波长1030nm，重复频率0.1-8.2mhz可调，脉冲宽度3ps，采用mopa的方式将功率放大至10w。工作平台上安放设有充气和排气两个功能的真空箱，并将装有乙醇液体的表面皿置于箱内。
32.步骤2：加工条件的设置
33.选用基于非线性放大环形镜(nalm)的全保偏掺镱锁模光纤激光器，中心波长1030nm，重复频率0.1-8.2mhz可调，脉冲宽度3ps，采用mopa的方式将功率放大至10w。样品在激光下进行线扫描，扫描线间距为0.001mm。
34.步骤3：对金属钛着色表面的擦拭
35.i)将着色后的金属钛片置于去离子水中超声清洗5-10min，再置于乙醇中超声清洗5-10min，然后冷风吹干。
36.ii)将着色样品置于表面皿中，然后放入亚克力真空箱中，调整加工位置并确保样品在振镜扫描中心处。
37.iii)用真空泵抽去真空箱内部的氧气，一次性可抽除88.5％以上的空气，然后再往内部充入适量的氮气(99.9999％)，通入部分氮气后，再次抽真空，以此过程反复操作3次以上，以保证真空箱的含氧量尽可能的低。
38.iv)设置加工参数，激光功率为8w，重复频率8mhz，扫描速度1500mm/s，扫描线间距0.001mm。采用双向填充的方式，激光从左向右进行填充，然后按设定的填充线间距(0.001mm)移动距离在下一行进行从右向左进行填充，如此循环。
39.v)将激光擦拭后的样品置于去离子水中超声5-10min，然后在室内环境中自然风干。
40.最后在金属钛着色表面中实现了对任意区域的高质量擦拭，擦拭后表面颜色与未
加工钛表面的色差极小。
41.作为优选，所述金属钛片尺寸为10mm
×
40mm
×
1mm。
42.作为优选，考虑了激光加工位置对加工效果的影响，在进行加工时定位在坐标原点处。
43.下面是以金属钛着色表面利用氧化还原机制激光擦拭为实例对本发明作进一步详细描述和说明：
44.实施例1
45.步骤1：搭建加工氛围可调的超快激光加工平台
46.参照附图1，整个激光加工平台包括：皮秒激光器、电源系统、聚焦系统、光路传输系统、工作平台和控制面板组成。激光器采用基于非线性放大环形镜(nalm)的全保偏掺镱锁模光纤激光器，采用mopa的方式将功率放大至10w。工作平台上安放设有充气和排气两个功能的真空箱，并将装有乙醇液体的表面皿置于箱内。实验中通过真空泵抽去真空箱内部的氧气，并在另一阀门中通入氮气。
47.步骤2：加工条件的设置
48.选用全保偏掺镱锁模皮秒光纤激光器，中心波长1030nm，重复频率0.1-8.2mhz可调，脉冲宽度3ps，采用mopa的方式将功率放大至10w。样品在激光下进行线扫描，扫描线间距为0.001mm。
49.步骤3：对金属钛着色表面的擦拭
50.将着色后的金属钛片置于去离子水中超声清洗10min，再置于乙醇中超声清洗5min，然后冷风吹干。再将着色样品置于表面皿中放入亚克力真空箱中。用真空泵抽去真空箱内部的氧气，然后再往内部充入适量的氮气，再次抽真空，以此过程反复操作3次以上，抽真空完毕后通入氮气。设置加工参数，激光功率为8w，重复频率8mhz，扫描速度1500mm/s，扫描线间距0.001mm。采用双向填充的方式进行扫描擦拭。将激光擦拭后的样品置于去离子水中超声10min，然后在室内环境中自然风干。最后可以得到如附图2所示的擦拭表面，表面氧化层逐渐擦去，出现明显的下陷的现象。如图3(a)所示，经重复实验5次后测试擦拭后表面反射率光谱与未加工钛表面趋势类似，图3(b)可以看出擦拭后区域的颜色lab值与未加工钛表面的颜色值无限接近，表明它们的色差极小。
51.参阅附图1，本发明的基于氧化还原机制的超快激光擦拭金属钛着色表面的加工系统包括：皮秒激光器、电源系统、聚焦系统、光路传输系统、工作平台和控制面板组成。其中为了实现对着色区域的氧化还原反应，在工作平台作了特殊处理。安放设有充气和排气两个功能的真空箱，并将装有乙醇液体的表面皿置于箱内。
52.参阅附图2，本发明在基于氧化还原机制下，使用超快激光器在使用如下加工参数后可以对颜色的擦拭：激光功率为8w，重复频率8mhz，扫描速度1500mm/s，扫描线间距0.001mm。在此参数下，颜色氧化层出现了明显的下陷现象，表明其氧化层受到了擦除。
53.参阅附图3，本发明在对钛着色表面进行激光擦拭后其表面反射率光谱与未加工钛表面趋势类似，并且擦拭后区域的颜色lab值与未加工钛表面的颜色值无限接近，表明它们的色差极小，擦拭效果很好。