祝贺团队在中科院一区期刊《Journal of Materials Processing Technology》发表学术论文

发布日期：2026-04-28

Dynamic water film-assisted nanosecond laser micromachining for high-quality multifunctional micro-structured surfaces

Jinda Yang, Zhongxu Lian*, Jiaqi Wang*, Du Zhang, Wanfei Ren, Fulong Zhang, Jinlong Song, Youwang Hu, Jinkai Xu, Yanling Tian, Huadong Yu

Received 10 January 2026; Received in revised form 6 March 2026; Accepted 22 March 2026

DOI：10.1016/j.jmatprotec.2026.119295

杨金达，廉中旭*，王佳琦*，张督，任万飞，张福隆，宋金龙，胡友旺，许金凯，田延岭，于化东。

长春理工大学, 华威大学, 盐城工学院, 大连理工大学, 中南大学, 吉林大学

Yang J, Lian Z, Wang J, et al. Dynamic water film-assisted nanosecond laser micromachining for high-quality multifunctional micro-structured surfaces [J]. Journal of Materials Processing Tech, 2026, 351: 119295.

纳秒激光加工技术因具有低成本、高效率、材料适用范围广以及适于规模化生产等优势，已被广泛应用于各类功能微结构表面的非接触式制造。然而，随着应用场景日益多样化以及服役环境愈加严苛，对纳秒激光加工微结构表面的表面质量和加工精度提出了更高要求。本研究提出了一种动态水膜辅助激光微加工（DWFLM）策略，用于制备高质量多功能微结构表面。通过有限元仿真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时（LMOWF），可形成更稳定的水膜；相比之下，当二者方向相同时（LMSWF），水膜稳定性较差。LMOWF、LMSWF与传统干式激光加工的实验对比结果表明，两种水膜辅助方法均可使热影响区（TAR）厚度降低两个数量级。尤其是，LMOWF策略能够制备出高质量微结构，并获得接触角为155°的超疏水表面。此外，该表面在单个太阳光照条件下可实现30.6℃的显著升温，表现出优异的光热除冰/防霜性能。本研究为低损伤、高精度激光微加工提供了可靠基础，所制备的表面在海水淡化、传热强化、减阻以及集水等领域展现出良好的应用前景。

Ti6Al4V，低热损伤，超疏水，光热转换，除冰/防霜

1.   提出了一种动态水膜辅助激光微加工（DWFLM）策略，用于高质量微结构表面的制备。

2.   有限元仿真表明，采用与水流方向相反的激光运动方向可提高水膜稳定性。

3.   优化后的DWFLM工艺实现了高深宽比微结构的加工，并具有极小的热损伤和优异的表面形貌质量。

4.   所制备表面表现出超疏水性（155°）以及光热除冰/防霜能力，在单个太阳光照下温升可达30.6°C。

图1 论文主要研究成果

纳秒激光微加工技术因具有非接触、效率高、材料适用范围广和便于规模化制造等优点，已被广泛应用于各类功能微结构表面的制备。然而，传统纳秒激光加工过程中易产生重铸层、热影响区和微裂纹等热损伤，导致表面质量和加工精度下降，并进一步限制其在复杂服役环境下高质量功能表面制造中的应用。与此同时，面向航空航天、极地探测和深海工程等极端环境，兼具超疏水、光热转化和除冰/防霜等性能的多功能表面已成为表面工程领域的重要研究方向。因此，亟需发展一种兼顾低热损伤、高精度与多功能构筑能力的新型激光微加工方法。

本研究提出了一种动态水膜辅助激光微加工策略（DWFLM），通过在激光加工区域引入动态薄水膜，实现加工过程中的高效冷却、熔融物去除与热损伤抑制。首先建立了不同激光扫描方向下的流场有限元模型，对水膜厚度、流速分布及压力特征进行了分析，揭示了激光运动方向与水流方向相反时（LMOWF）可获得更稳定的水膜状态；随后，通过与同向扫描模式（LMSWF）及传统干式激光加工（LDP）对比，系统研究了不同工艺对微沟槽表面形貌、截面组织及热影响区的影响。结果表明，DWFLM可将热影响区厚度降低约两个数量级，其中LMOWF模式能够实现高质量、低损伤微结构加工，并进一步制备出接触角达155°的超疏水表面，在一个太阳光照条件下可实现30.6℃的温升，表现出优异的光热除冰/防霜性能。该研究为高质量、低损伤的多功能表面微加工提供了一条可行的途径，为这些功能表面在恶劣服役环境下的实际应用奠定了坚实的基础。

1. 在DWFLM微加工中两种扫描模式下水膜状态会产生差异。当激光扫描方向与水流方向一致时，水射流会经过已形成的微沟槽，导致加工区内水膜受沟槽及熔融物扰动而明显失稳，而当激光扫描方向与水流方向相反时，水射流始终位于微沟槽前方，加工区水膜更连续、均匀且稳定。该结果表明，当激光扫描方向与水流方向相反时更有利于提高加工质量。

图2 LMSWF和LMOWF加工方式示意图及其对应实际加工过程中水膜状态。

2. 通过有限元仿真分析可以发现，两种扫描模式下流场分布存在明显差异。LMSWF模式中待加工区附近回流与湍动显著，速度波动较大，易导致水膜失稳，而LMOWF模式中流动方向更集中、速度分布更均匀，有利于维持稳定水膜，从而提高加工精度和表面质量。

图3基于两相流仿真，对LMSWF和LMOWF模型沿XZ轴中间截面的速度分布进行了分析。

3. 为比较不同加工方式对微沟槽成形质量的影响，对其表面形貌与热损伤特征进行了分析。结果表明，不同加工方式下微沟槽的表面质量存在明显差异。LDP加工表面附着大量重铸层，侧壁出现明显微裂纹，并形成较宽的热影响区。LMSWF虽在一定程度上减轻了重铸现象，但沟槽底部仍存在不平整和形貌不规则问题。相比之下，LMOWF加工获得的微沟槽轮廓更加规整，热损伤更小，三维形貌也更均匀，表现出更优的加工质量。

图4 利用扫描电子显微镜、光学显微镜和激光共聚焦显微镜详细观察了三种微槽的表面形貌。

4. 在DWFLM微加工中，不同工艺下微沟槽截面形貌与热损伤差异显著。LDP加工后沟槽边缘存在明显重铸材料堆积，并形成较宽热影响区。LMSWF虽可减弱热损伤，但截面仍有一定不规则性。相比之下，LMOWF加工得到的微沟槽轮廓更清晰尖锐，热影响区更小，更有利于实现低损伤、高质量和高一致性的微结构加工。

图5 利用扫描电子显微镜、光学显微镜和激光共聚焦显微镜对三种微槽的截面形貌进行了分析。

5. 为进一步分析DWFLM微加工的热损伤情况。TEM分析进一步揭示了DWFLM微加工后微沟槽截面的微观组织特征。对LMSWF和LMOWF加工截面的重铸层、热影响区及基体进行了表征，并结合HRTEM和SAED分析了不同区域的相组成。相较于LDP，DWFLM模式下表面热影响区均降低了约两个数量级。

图6 使用TEM测试方法对LMSWF和LMOWF制备样品的重铸层、热影响区和基体进行观测和分析。

6. 为分析动态水膜对羽流演化及材料去除机制的影响，采用高速相机对LDP、LMSWF和LMOWF三种工艺下等离子体羽流的时序演化进行了对比表征。结果表明，LDP下羽流膨胀最明显，LMSWF下羽流沿水流方向偏转并伴随持续喷溅，而LMOWF下羽流体积最小、持续时间最短，后期几乎无明显喷溅，说明其更有利于降低能量损失并提高加工稳定性。

图7 LDP、LMSWF和LMOWF三种加工方式下等离子体羽流的演化过程。

7. 为进一步评估LMOWF加工表面的功能特性，对其润湿性与光热性能进行了系统表征。结果表明，LMOWF加工后规则微沟槽阵列使表面接触角由82.08°提升至155.08°，并在一个太阳光照下迅速升温至64.9℃。这说明微沟槽及纳米多孔结构能够有效降低反射率、增强光吸收，使表面兼具优异超疏水性与稳定高效的光热转换能力。

图8 光滑表面与LMOWF表面在表面形貌、润湿性及光热性能方面的对比。

本研究采用DWFLM技术在Ti6Al4V表面制备了多功能微沟槽。通过数值模拟与实验研究了激光扫描方向及工艺参数对水膜形貌、表面微观形貌以及截面特征的影响。所制备的微沟槽阵列表现出优异的超疏水性、光热转换性能以及抗结冰/除冰性能。主要研究结果总结如下。

1. 数值模拟表明，LMSWF模型在加工区域内表现出显著的压力和速度差异，其差值分别高达19.004kPa和6.182m/s；相比之下，LMOWF模型表现出更稳定的水膜状态。

2. 对LDP、LMSWF和LMOWF三种加工技术的对比分析表明，LMOWF通过有效减少微裂纹、热影响区（HAZ）和重铸层，获得了最佳的微沟槽加工质量。

3. 通过对LDP、LMSWF和LMOWF工艺的对比分析，发现LMOWF工艺具有明显的优势，其等离子体羽流的膨胀明显小于LMSWF和LDP工艺，而且LMOWF工艺可以形成高深比的微槽，材料去除率也高于其他两种工艺。

4. LMOWF制备的微阵列结构具有超疏水性（接触角稳定在155°±1%）、高效的光热转换（一个太阳照射下的温升为30.6°C）和主动的除冰/除霜能力，因此使用该方法制备的表面在润湿性、光热转换效率和多功能性能方面具有显著的优势。

本文提出的技术原理和实施策略为低损伤、高质量的多功能表面的制备提供了巨大的应用潜力和广阔的前景，可应用于海水淡化、流体减阻和油水分离等领域。