引言

20世纪90年代，激光着色技术起头崭露头角，呈此刻人们的视野。该技术利用激光束直接作用于工件表表，通过节造激光的功率、聚焦度和扫描速度等参数来实现对工件表表进行着色。与传统着色步骤相比，激光加工期间不必要额表增长任何化学试剂，且拥有更高的精度、更低的能耗和更短的处置功夫。因而，激光着色已成为多多行业提升产品质量、加强竞争力的首选步骤，逐步取代化学法、阳极氧化、热处置法等传统着色步骤[1]。与传统着色步骤相比，激光能做到不直接与工件接触，受益于激光的精确性，在整个加工过程中不会出现定位误差，所以通过激光能够在高精密需要的区域内工作，绘造所需的标识图案，在保障零件的机能及需要精度的同时，也保障绘造的图案拥有高质量和悠久性，不容易受损。王翰章等[2]通过单脉冲激光扫描和多脉冲两个阶段，在不锈钢表表上利用分歧的激光参数产生同种色彩。张震华等[3]探索了纳秒激光在不锈钢上激荣耀色打标的机理。高宏文等[4]利用激光在TC4钛合金着色后探淘熹色彩质量，且实现了彩色二维码的标刻。刘忠民等[5]利用纳秒激光在304不锈钢上着色后探索了其氧化法规。近些年来，随着激光技术在资料加工领域的宽泛利用，已经成为扭转钛合金表表性质的钻研热点之一。钛合金由于其高强度、优异的生物相容性以及耐侵蚀性，宽泛利用于航天、医疗等领域[6]。但是，钛合金表表呈灰色，限度了其在一些必要思考表观美观度的利用领域的利用。通过激光着色，能够在不影响钛合金内部物理机械机能的情况下，精确节造和扭转其表表色彩，从而扩大其利用领域。近年来，很多钻研团队利用分歧类型和参数的激光，对钛合金进行表表处置，成功实现从浅灰到玄色的多种色彩着色[7]。并通过表表分析伎俩钻研了着色机理，探求了处置参数对表表微观结构和组成的影响。这些钻研了局批注，激光着色技术作为一种有潜力迪胙合金表表改性步骤，值得进一步深刻钻研[8]。本钻研以TB2钛合金为钻研对象，利用纳秒激光对其表表进行着色处置，扭转激光扫描速度在TB2表表造备出分歧的色彩，以期获得色彩变动与激光参数之间关系。

1、激光着色道理

1.1激光与资料之间的相互作用

通常，能够通过两种步骤实现激光在资料上的着色：①激光诱导形成金属薄膜微结构
；②激光诱导形成金属纳米结构[9]，两种步骤各有特点。第一种步骤是利用激光诱导形成金属薄膜微结构。当金属薄膜受激光照射时，表表会形成周期微结构，这种结构可能反射、散射和吸收分歧波长的光，从而显示出各类色彩。第二种步骤是利用激光诱导形成金属纳米结构。在激光作用下，金属资料会部门溶解并形成纳米结构，这些结构对分歧波长光拥有选择性吸收和散射，能显示出丰硕的色彩成效。相迸宗后者，通过激光诱导形成金属薄膜微结构加工可能保障成本更低、速度更快的同时，天生的色彩也足够不变，因而目前重要选取该步骤来实现金属表表的着色。激光诱导金属薄膜的工作道理是，通过激光的加热，金属资料表表产生氧化反映形成氧化膜。在反映初期，激光的能量被吸收，之后转变为热能导致金属表表的温度升高，随着金属资料的温度持续升高，氧化反映的速度也会提高，氧化膜会变得越发厚实，同时金属表表也会越发滑润[10]。

1.2显色道理分析

关于激光在表表资料作用后的显色道理，在最起头的钻研阶段中，LangladeC等[11]以为，其显露出的色彩只是基材表表上各金属氧化物自身的色彩。但随着越来越多的学者在该方面的探索，发此刻着色过程中可能产生的色彩种类数量现实上要远多于相对应的金属氧化物种类。DiamantiMV等[12]对激光作用后的金属表表进前进一步钻研后发现，能够通过过问景象来诠释物体激光作用后表表可呈色的原因。总体来说，这是由于分歧色彩氧化物的厚度分歧所造成的。

如图１所示[13]，一束光线以平行的方式照射到氧化膜表表时，在表表产生反射景象，氧化膜内部则产生折射景象。其中，光线L2在通过氧化层的同时进行折射，并鄙人表表产生反射。这部门经过折射的光线会与光线L1在氧化层上的反射光线L1′在空间中订交，形成一束过问光束。过问光束是由两束光线相互叠加形成的，其强度和相位城市产生变动。光线L1′和光线L2′之间的光程差导致了过问光束的相位差也同时会产生变动，即便它们在传布中所经历的光程分歧，最终还是会导致过问光束出现出分歧的色彩。因而，当一束平行光线照射到氧化膜表表时，由于过问景象的存在，氧化膜会出现出多种分歧的色彩。其关系式可由式(1)暗示。

式(1)中，λ为光的波长，δ为光程差
；n0为光速在空气中的折射率
；n1为在氧化层的折射率
；i0为光的入射角
；d为氧化层的厚度，k取整数，则d的表白式为式(2)。

通过式(1)、式(2)可得，当δ＝kλ时，过问是加强的，若δ＝(2k+1)λ/２时则过问会相消。凭据式(1)，在过问产生时，哪种波长的光会被加强重要取决于氧化层的厚度，且分歧厚度的膜对应分歧的色彩。所以可能揣摩出，随着扭转观察氧化层的角度，所看到的氧化膜色彩也会相应产生变动。

2、尝试设备及资料

2.1尝试设备

本钻研选取的激光设备是光纤激光器（上海雕途实业有限公司），具体参数如下：输出波长为1064nm，输出功率为0~60W可调节，脉冲的沉复频率能够陆续调节在20~200kHz之间，激光的脉宽设定为10ns。该激光器的工作焦距为31.9cm，可能扫描的工作区域大幼为150mm×150mm。该激光系统可调整激光打标的速度和填充方式，激光扫描方式如图2所示。同时，还能够调整激光的沉复频率以及输出功率等沉要参数。

尝试中使用光谱仪（HR4000CG-UV-NIR型，海洋光学公司）来丈量着色后反射光谱，用来分析色彩特点。丈量过程当选取D65尺度光源，丈量的波长为可见光领域380~780nm。凭据反射光谱，通过推算获得2°视场下的CIE1931色度坐标致反更好地表征色彩。

2.2尝试资料

尝试资料是2mm厚的TB2钛合金（Ti-5Mo-5V8Cr-3Al），样品尺寸为50mm*50mm，其表表成分可见表1。TB2资料拥有优异的激光吸收机能，能够在激光照射下急剧实现着色，并且能够实现多种色彩的着色成效。尝试前需对样品进行超声波洗濯，由于样品表表若有切削后的残留物或是杂质吸附物，可能会直接影响到尝试了局，例如会出现色彩失真甚至整个着色区域着色了局不均匀的景象。

3、了局与分析

3.1激光参数对着色的影响

激光着色必要正确地调控激光的各个参数，各参数的扭转都可能会对着色成效造成影响。例如在正常作用下，各参数维持不变，加大激光的功率可能会对金属基材造成溶解和去除景象。激光与金属资料表表的相互作用道理是基于光化学反映，这是一个极其复杂的过程。激光与金属资料相互作用时，会引颁发表结构的扭转和化学反映，从而产生分歧的色彩。理论上，通过调整激光参数能够实现对金属表表的精密节造和定造化着色。本钻研在功率P=4W、频率f=200kHz、线间距d=1μm前提下，通过扭转激光扫描速度，经大量尝试在TB2表表造备出一系列色彩，如银色、灰绿色、蓝色、紫色、金色等丰硕的色相，如图3所示仅列出其中的8种色彩。当激光的扫描速度较慢时，资料表层会吸收更多的激光能量，进而促使氧化反映更显著。而随着扫描速度的提高，激光能量的吸收削减，陪伴着能量密杜纂工作功夫降落，会降低激光与基材表表反映的氧化水平，最终所天生的氧化膜也会随之变薄[14]，分歧厚度的氧化膜对入射光有着分歧波段的吸收与反射，从而形成丰硕的色彩特点。

3.2表表描摹的表征

通过使用数字显微镜观察金属资料表表得到如图4的尝试了局。未经激光扫描迪胙合金表表较为平坦（如图4a）。随着激光起头在表表作用，在分歧扫描速度下的基材表表描摹产生了变动。图4b是在相对较高的扫描速度下得到的表表描摹，整体来说变动其实不是很显著，表表留有轻微的激光扫描痕迹。而图4c与图4d在使用相对较幼一些的速度参数时，表表描摹与图4a相迸仔显著的激光扫描痕迹，这是由于基材表表与激光的相互作用并非为恒温，这会使得激光的光斑中心区域与周围区域也非等温。在非等温作用过程中，激光的扫描速度越低，使得整体能量密度越大，最终会不均匀地实现整个氧化过程[15]。

3.3着色法规分析

人们对色彩的感知是一个复杂的过程，涉及诸多方面，蕴含光学、光化学、视觉生理和视觉生理。当光线经过物体的反射或透射后进入人眼时，会激活视觉系统，让人们产生对物体亮度和色彩的感知。这些感知信息会传送到大脑的中枢，经过处置后形成色彩的知觉。然而，在日常生涯中，由于周围环境的不休变动，即便观察者拥有丰硕的色彩观察经验和敏感的判断力，所得到的观测了局依然会拥有主观性和受环境变量影响的随机性。为了提取相对客观的色彩数据，以便于分析色彩变动，因而必要选择相宜的设备来提取色彩信息及选择相宜的色彩空间对色彩进行评估[16]。本尝试选用CIE1931色度坐标来表征色彩的色度特点。CIE1931色度坐标是一种用于描述和暗示色彩的坐标系统，由国际照明委员会（CIE）于1931年提出。它是基于人眼对分歧波长光的感知和色彩感知的尝试了局而成立的，将分歧的色彩暗示为坐标点，从而在色度图上绘造出分歧色彩的散布，色彩的色度坐标能够从其光谱功率散布中推算出来。

为了更好地探索着色后色彩的变动法规，本钻研拔取扫描速度在210~280mm/s领域之间，距离10mm/s，造备8种色彩，丈量其反射光谱曲线如图5所示。分歧光谱曲线代表了分歧色彩在入射光源照射后样品对入射光选择性吸收及反射的了局。仅从反射光谱曲线特点不能直观地看杰出彩的特点。通常，利用公式[17]推算其色度坐标列入表2，并将其绘造在图6中。通过图6分析1号样品至8号样品的色彩变动法规，能够看出所产生的色彩是从黄色向蓝紫色变动过渡，最后再回到黄色的法规。图6样品1到8色度坐标点所围成色域领域体现出激光处置TB2色彩丰硕性，这使得其实现现实着色图案表白成为可能。

在激光着色过程中，会产生高温氧化景象
；谋肀碛肟掌械难跗哟，在接触区域，氧气会被输送到在天生的氧化膜中。随着氧气逐步削减，若想进行下一步的氧化只能通过扩散在氧化膜中的氧离子和金属离子来实现[18]。当扫描速度分歧时，激光的持续功夫随之分歧，光与热的氧化过程会在分歧的功夫内实现，因而氧分子的扩散深度分歧，氧化膜的厚度分歧。在分歧厚度的氧化膜中入射光产生复杂的表表反射、吸收与多沉内反射的光学作用，从而形成分歧色彩表观。激光能够节造资料表表只限于很薄的一层进行着色处置，不会影响资料内部结构和机能。因而色彩的不变性更好，不会因功夫或环境变动而褪色。使用激光直接将色彩信息转化为资料表表层的化学成分或结构变动。与其他涂料步骤相比，不会由于颜料层厚度或表表处置不均匀导致色彩不一。

3.4激光着色彩色图案

激光着色彩色图案是一种利用激光技术实现的图案展示方式，它在很多领域拥有宽泛的利用远景。与传统的彩色打印机分歧，激光着色形成的多彩图案拥有更高的耐久性和不变性。激光光束的高能量和高温度使得图案在着色过程中可能更好地与资料结合，形成越发牢固的图案。相比之下，彩色打印机所使用的墨水或颜料往往容易受到表界环境的影响，导致图案的褪色或吞吐。因而，激光着色形成的图案拥有更长的使用寿命和更好的抗传染能力，合用于必要长功夫维持图案齐全和清澈的场景。图7展示了在尺寸为50mm×50mm、2mm厚的TB2钛合金原资料表表上使用分歧的激光参数同时进行着色，形成的多彩图案。图7a是在TB2钛合金上的呈色成效，图7b为所天生的彩色图案细节图。

4、结论

本钻研通过扭转激光的扫描速度成功获得了蕴含黄色、紫色和蓝色等多种色彩样本。扫描速度是影响钛合金表表氧化膜着色成效的沉要成分之一。随着扫描速度的增长，能够观察到色彩逐步从黄色到蓝色过渡到紫色最后再回到黄色，这是由于氧化膜的厚度和光学过问效应的变动所导致的。另表，在激光处置样品的微观特点中，能够观察到样品表表的氧化过程会引起TB2表表的不平坦性，不均匀的表表亦会造成入射光反射过问等作用的变动，结合激光处置基材的表表描摹特点钻研色彩也将是未来有意思的钻研方向。

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重要作者

刘壮（1979年-），博士，教授，硕士生导师
；重要钻研方向为职能资料的智能造备技术及装置。

Prof. LIU Zhuang, born in 1979. He got the doctor degree and now is a master tutor. His main research directions are intelligent preparation technology and device of functional materials.