皮秒激光在316L不锈钢表面着色机理与色彩模型

2020-02-25 17:27:18

  对于激光着色的工作原理,国内外有两种不同的观点。第一种观点是氧化薄膜观点,认为激光之所以能够使316L不锈钢表面呈现色彩是因为激光脉冲作为局部热源,在着色的过程中使金属表面发生了氧化反应,表面形成了一层透明或半透明的氧化薄膜,氧化膜在白光下产生干涉效应,不同厚度的氧化膜产生不同的颜色。这一理论与传统金属着色法认为的氧化膜呈色理论相吻合。国内外研究人员在用纳秒激光器进行金属表面打标着色,依据就是氧化膜呈色理论。但随着超快激光器如皮秒和飞秒激光器的出现和逐步应用,人们提出了第二种观点,即表面周期性条纹结构现象。


  研究人员发现,超短脉冲激光,尤其是飞秒激光着色可以在316L不锈钢表面形成纳米量级的激光诱导周期性表面条纹微结构(NC-LIPSS)。这种微条纹结构具有反射光栅的特点和性质,白光照射在316L不锈钢表面时发生衍射使不同条纹衍射的光彼此之间相互干涉,波长不同的光干涉的极大值出现的方向不同,因而白光经过反射光栅后色散而成光谱,形成了彩色图案。这一理论主要应用于超短脉冲激光金属着色上。纳秒激光辐照316L不锈钢表面形成氧化薄膜是产生颜色的主要依据。在纳秒激光辐照金属材料表面过程中,可以形成与化学氧化着色法、电化学氧化着色法等一样的着色表面氧化薄层,由于纳秒激光对316L不锈钢表面产生热影响区过大,易形成再铸层和微裂纹等问题,难于获得良好的表面微条纹结构。飞秒激光辐照金属表面形成周期性微条纹结构是产生颜色的主要原因。飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应,作用时间极短,热效应小,对被加工材料氧化、变形、热影啊区域均较小,加工精度非常高,能获得各种良好的表面微条纹结构。处于纳秒激光与飞秒激光之间的皮秒激光,既可以象纳秒激光一样,在金属表面辐照加热形成具有呈现不同颜色的氧化薄膜,也可以象飞秒激光通过扫描方式可以实现金属表面周期性条纹结构,从而调制了光谱反射率,导致了316L不锈钢表面颜色的改变。


   其差别主要取决于皮秒激光参数如光斑大小、扫描速度、线间距、脉冲能量和个数等参数的综合作用。在脉冲宽度小、扫描速度较慢、线间距较短、合适的脉冲能量和个数条件下,皮秒激光就可以在金属表面制备性能良好的周期性表面条纹微结构。图为纳秒激光和皮秒激光在不锈钢表面着色后的结构。纳秒激光着色采用灯泵浦激光器,激光器功率为70W,扫描速度为80mm/s,重复频率2kHz,扫描间距0.01 mm,工作台上偏焦2.0mm,激光波长1064 nm,激光束质量因子M2=1.5,聚焦后激光斑点直径约为15μm。皮秒激光器单脉冲能量为120mJ/cm2,扫描速度150μm/s,扫描间距0.005 mm,激光中心波长1064nm,激光束质量因子M2≦1.8,重复频率30kHz,脉冲宽度10ps,光斑直径约10μm。从图可看出,纳秒激光辐照后的金属表面为一薄氧化层(端面),而皮秒激光辐照后的金属表面是一种较为明显的条纹结构。


   316L不锈钢经过激光着色后不仅色彩鲜艳,还能提高材料的物理化学性能和机械性能,如耐紫外线照射、耐磨、耐热和耐蚀等性能,其中彩色不锈钢的颜色老化问题是极其重要的。为了考查不锈钢激光着色后的颜色老化性能,本文对激光辐照后的着色试样进行了老化试验。采用光纤皮秒激光器在316L不锈钢上进行激光着色实验,实验证明在脉冲宽度小、扫描速度慢、线间距较短和合适的脉冲能量条件下,皮秒激光就可以在金属表面制备性能良好的周期性表面条纹微结构。研究了皮秒激光参数与色彩空间之间的关系,着重分析了填充线间距、扫描速度、脉冲能量等主要参数对着色效果的影响,并给出了合适的参数加工范围,得出结论如下。


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