《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Dynamic Water Film-Assisted Nanosecond Laser Micromachining for High-Quality Multifunctional Micro-Structured Surfaces
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动态水膜辅助激光微加工技术通过反向扫描激光与水膜流动方向，有效抑制热影响区（TAR），使微结构表面接触角达155°，光热转换效率提升30.6°C。该技术可制备兼具超疏水与光热除冰/冻功能的多功能表面，为复杂环境装备制造提供新方案。
杨金达|连仲旭|王家琪|张杜|任万飞|张福龙|宋金龙|胡友旺|徐金凯|田彦玲|于华东
中国长春科技大学跨尺度微纳制造教育部重点实验室，长春 130022
摘要
纳秒激光加工技术因其低成本、高效率、材料应用广泛以及适合大规模生产等优点，已被广泛应用于各种功能性微结构表面的非接触式制造。然而，日益多样化的应用场景和苛刻的工作环境对纳秒激光加工微结构表面的质量及加工精度提出了更高的要求。本研究提出了一种动态水膜辅助激光微加工（DWFLM）策略，用于制造高质量的多功能微结构表面。通过有限元模拟分析了不同激光扫描方向下的流体动力学行为。结果表明，当激光扫描方向与水流方向相反（LMOWF）时，能够形成稳定的水膜，而同向扫描（LMSWF）则无法形成稳定的水膜。实验对比显示，两种水膜辅助方法均可将热影响区域（TAR）的厚度降低两个数量级。值得注意的是，LMOWF策略不仅能够制造出高质量微结构，还能获得接触角为155°的超疏水表面。此外，该表面在太阳光照射下温度仅升高30.6°C，表现出优异的光热除冰/防霜性能。这项工作为低损伤、高精度的激光微加工技术奠定了坚实基础，所制备的表面在海水淡化、热传递、减阻及集水等领域具有广泛应用前景。
引言
随着极端环境设备（如航空航天、极地探索和深海工程）的快速发展，关键部件的表面多功能化已成为确保其在恶劣条件下的运行可靠性和安全性的关键策略[1][2]。在这些环境中，表面性质（如润湿性、光学响应和热管理能力）对提升系统稳定性、延长使用寿命和提高能源效率至关重要[3]。因此，开发具有特定功能的多功能表面（如防冰的超疏水性、高效的光热转换能力和低反射率）已成为微纳制造和表面工程领域的研究重点[4][5]。
实现这些功能性表面通常依赖于对表面形态和物理化学特性的精确控制[6][7]。在各种制造方法中，引入微纳级结构以调节表面粗糙度是一种基本且有效的方法，可用于实现超疏水性、增强光吸收和抗反射等性能[8]。近年来，基于激光的微纳制造技术因具有非接触加工、高灵活性、高加工效率和优异精度等优点而受到广泛应用[9][10]。通过调整激光参数，可以在多种材料表面直接刻蚀出微纳级结构，从而调控其光学和润湿行为。例如，周等人[11]受自然界蜂窝结构和仙人掌刺的启发，利用激光微加工技术在铜合金上成功制备了具有层次结构的超疏水表面，有效解决了低温环境下的结冰问题。
在各种激光类型中，纳秒激光因其高脉冲能量、高效加工能力和相对较低的使用维护成本而受到广泛关注[12]。赵等人[13]使用纳秒激光在6061铝合金上制备了超疏水表面，观察到水滴在该表面上可连续反弹多达17次，形成了显著的“水滴蹦床”效应。类似地，李等人[14]利用纳秒激光加工技术制备了具有超疏水性、光热捕获和抗冰性的微纳结构表面。尽管取得了这些成就，但纳秒激光加工的固有局限性也常常被忽视。加工过程中，纳秒激光辐照会在基底上产生明显的热影响区域（TAR），表现为再结晶层的形成、热影响区（HAZ）和微裂纹的产生。这些热效应不仅降低了加工精度，还损害了表面完整性。在摩擦、磨损、拉应力或腐蚀等复杂服役环境下，这种热损伤可能导致表面结构退化和功能性能下降，从而限制了纳秒激光在高质量功能表面制造中的应用。
为减轻激光材料加工中常见的缺陷，人们开发了多种先进技术，其中水辅助激光加工是一种特别有效的方法。其提升加工质量的能力主要归功于水的多方面作用：在激光辐照下，目标材料吸收能量并迅速升温，而周围的水由于其高比热容和导热性能有效散热[15][16]。水作为热缓冲层，抑制了局部热量积聚，减少了再结晶层的形成，并限制了HAZ的大小[17][18]。同时，水还能快速带走蒸发的材料，减少沉积和热效应。这些机制共同实现了对加工过程中表面形态和质量的更精确控制。实证研究证实了水辅助激光加工的优势。Krstulovic等人[19]比较了纳秒脉冲激光在空气和水下对铝样品的加工效果，发现水下环境显著减少了再结晶材料的形成。Duangwas等人[20]引入了溢流辅助水下激光烧蚀技术，通过建立溢流系统实现了低沉积的清洁切割。Wei等人[21]对陶瓷基复合材料的喷射引导激光烧蚀进行了详细研究，评估了烧蚀深度、锥角和元素组成对加工结果的影响。
在水辅助激光加工技术中，动态水膜辅助激光微加工（DWFLM）作为一种有效且经济的方法，显示出在提高加工精度和减少热损伤方面的巨大潜力[22]。在DWFLM中，水射流冲击材料表面，形成一层薄薄流动的水膜，激光束通过这层水膜照射以去除材料[23][24]。这种配置减少了激光能量在水中的散射，提高了微加工精度。Tangwarodomnukun等人[25]研究了DWFLM在硅基底材料去除中的应用，证明了其能够减轻传统激光加工过程中材料熔化和蒸发带来的热损伤。王等人[26]利用DWFLM技术处理钛合金，发现该技术显著减少了碎屑和熔融金属的积累，改善了晶粒细化效果，并促进了低角度晶界的均匀分布。这些结果表明，DWFLM是一种高效、低损伤的微加工方法，特别适用于脆性半导体和其他难以加工的材料。尽管DWFLM具有诸多优势，但现有文献中对其水膜特性对加工性能的影响尚未进行定性和定量分析。此外，关于利用DWFLM技术制备具有超疏水性和光热除冰/防霜功能的多功能微结构表面的报道也非常有限。
本研究探讨了激光扫描方向对DWFLM过程中水膜特性和钛合金表面质量的影响，并成功制备了多功能微结构表面。建立了两种激光扫描方向的模拟模型：激光移动方向与水流方向相同（LMSWF）和激光移动方向与水流方向相反（LMOWF），分析了水层厚度、水流速度和压力对加工过程的影响。通过对Ti6Al4V合金进行三种加工技术（激光干加工LDP、LMSWF和LMOWF）的全面分析，评估了表面和截面的热损伤行为。此外，系统研究了激光和水射流参数对微沟槽形态、尺寸和材料去除率的影响。在LMOWF配置下成功制备了微阵列结构表面，并对其润湿性、光热转换效率和除冰/防霜性能进行了全面评估。研究结果为高质量、低损伤的多功能微加工提供了可行方法，为这些功能表面在恶劣环境中的实际应用奠定了基础。
工作原理和实验参数
DWFLM系统如图1a所示。在这种技术中，激光聚焦区域内的材料被加热至熔点甚至沸点，同时高速水射流冷却基底并清除加工过程中产生的碎屑和熔融金属。图1b展示了DWFLM过程的示意图。所用激光为1064纳米波长的纳秒脉冲光纤激光器，脉冲宽度为100纳秒，最大平均功率为30瓦，重复频率为...
水射流冲击模型及其网格
在两种加工方法中，激光移动方向的不同直接决定了水射流冲击点的位置。利用SolidWorks软件，在支持信息中构建了一个简化的水射流冲击模型（图S2），关键参数与之前的讨论一致。LMSWF模式下微沟槽的截面被简化为V形，深度为310微米，宽度为160微米...
微沟槽的表面形态和热损伤行为评估
为了深入研究激光加工路径对微沟槽表面质量的影响，在一致的激光加工参数（单脉冲能量1.2毫焦耳、扫描速度0.02毫米/秒、重复频率20千赫兹）下，对LDP、LMSWF和LMOWF三种加工模式进行了初步实验。随后使用扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜和激光共聚焦显微镜（LCSM）详细观察了三种微沟槽的表面形态。
微沟槽阵列的润湿性和光热转换性能
超疏水表面在航空航天、海洋工程和生物医学领域具有重要的应用价值，因为它们具有优异的防水、液滴操控、抗污染和自清洁性能[37][38]。目前，纳秒激光加工技术已被广泛用于制备超疏水表面[39]。然而，由于LMSWF方法制备的微沟槽表面形态较差，因此...
结论
本研究采用WJALM技术在Ti6Al4V合金上制备了多功能微沟槽。通过数值模拟和实验，研究了激光扫描方向和工艺参数对水膜形态、表面微观结构和截面特性的影响。制备的微沟槽阵列表现出优异的超疏水性、光热转换和抗冰/除冰性能。主要研究结果如下：
1.作者贡献声明
连仲旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，形式分析。王家琪：撰写 – 初稿，概念构思。杨金达：撰写 – 初稿，方法论，数据整理。胡友旺：指导，研究。徐金凯：指导，研究。田彦玲：撰写 – 审稿与编辑，指导，形式分析。于华东：指导，形式分析。张杜：方法论，数据整理。任万飞：方法论，数据整理。张福龙：方法论，数据
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4607502）、英国研究与创新署（UKRI）为Horizon Europe MSCA博士后奖学金提供的资助（项目编号EP/Z001218/1），以及中国“111”计划（项目编号D17017）的支持。
