[发明专利]纳秒激光辐照在钛合金表面制备纳米孔结构的方法

说明书

本发明涉及一种纳秒激光辐照在钛合金表面制备纳米孔结构的方法，属于激光表面改性领域。该方法为先对钛合金样品表面进行预处理，预处理方式为：使用抛光机对钛合金样品进行研磨、抛光，并进行清洗和干燥处理。将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔，氮气流量为1‑20L/min；经过5‑10s的预送气后，打开纳秒激光器，使用激光器对钛合金样品表面进行辐照；通过改变激光辐照参数，可以在钛合金样品表面制备一层均匀的纳米孔结构，并且通过调控激光辐照参数可以实现孔隙率的调整，进而实现钛合金样品表面性能的调控。本发明实施简单，易于调控，具有良好的重复性，在钛合金样品表面性能调控方面有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照在钛合金表面制备纳米孔结构的方法。此方法可用于钛合金表面的性能调控。

背景技术

钛合金由于其良好的比强度，优异的耐腐蚀性能及生物相容性，常用于骨科和牙科的植入体，但是由于人体骨骼和钛合金植入体之间的弹性模量不匹配，会造成应力屏蔽效应，最终导致骨吸收和衰竭。多孔钛合金作为一种有效的解决方式，通过多孔结构使得骨骼和钛合金植入体的弹性模量、密度等性能相匹配，此外多孔结构也有益于骨细胞的增殖分化，进而与植入体相联合，使得植入体和骨骼的连接更紧密(Sheng Zhang,QingsongWei,Linyu Cheng,Suo Li,Yusheng Shi.Effects of scan line spacing on porecharacteristics and mechanical propertiesof porous Ti6Al4V implantsfabricated by selective laser melting.Materials and Design,2014,63:185-193)。

多孔材料的功能不仅仅局限于此，由于多孔材料具有较大的比表面积，其可用于催化剂载体，也具有良好的吸声性能和导热能力。但是目前制备多孔钛合金的方式主要是通过激光选区熔化或者通过添加发泡剂的方式进行制备，这几种方式制备的结构都在几十到几百微米之间，而且形成孔隙结构的均匀性较差，加工出来的工件的表面质量也无法保证，最重要的是这几种方式无法对已经成型的零件进行表面多孔结构的制备(颉芳霞,何雪明,吕彦明.生物医用多孔钛及钛合金激光快速成形研究进展.材料导报A：综述篇,2016,30(4):109-114.)。

所以，需要进一步发展新的多孔钛合金制备方法，进而能够实现对已成型的零件表面进行不同孔隙率的多孔结构加工。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种纳秒激光辐照在钛合金表面制备纳米孔结构的方法，解决了对已成型零件表面进行孔状结构加工的问题。通过本发明提供的方法，在氮气氛围内对钛合金表面进行纳秒激光辐照，不但在钛合金表面制备了不同孔隙率的纳米孔结构，对钛合金的表面湿润性能有着改善作用，而且由于激光氮化的作用，同时保持了其表面的硬度。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种纳秒激光辐照在钛合金表面制备纳米孔结构的方法：对钛合金样品表面进行预处理，将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔；经过5-10s的预送气后，打开纳秒激光器，使用激光器对钛合金样品表面进行辐照；通过改变激光辐照参数，可以在钛合金样品表面制备一层均匀的纳米孔结构。

所述的钛合金的预处理方式为：使用抛光机对钛合金样品进行研磨、抛光，并进行清洗和干燥处理。

作为优选：所述的纳秒激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为1.35-1.75W，激光重复频率为600-800kHz，激光扫描重叠率为50-90％，激光扫描速度为5-15mm/s，氮气流量为1-20L/min。

作为优选：所述的纳秒激光辐照后表面纳米孔结构的孔隙率为20-70％。