引言

20世紀(jì)90年代，激光著色技術(shù)開始嶄露頭角，出現(xiàn)在人們的視野。該技術(shù)利用激光束直接作用于工件表面，通過控制激光的功率、聚焦度和掃描速度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對工件表面進(jìn)行著色。與傳統(tǒng)著色方法相比，激光加工期間不需要額外添加任何化學(xué)試劑，且具有更高的精度、更低的能耗和更短的處理時間。因此，激光著色已成為眾多行業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)競爭力的首選方法，逐漸取代化學(xué)法、陽極氧化、熱處理法等傳統(tǒng)著色方法[1]。與傳統(tǒng)著色方法相比，激光能做到不直接與工件接觸，受益于激光的精確性，在整個加工過程中不會出現(xiàn)定位偏差，所以通過激光可以在高精密需求的區(qū)域內(nèi)工作，繪制所需的標(biāo)識圖案，在保證零件的性能及需求精度的同時，也保證繪制的圖案具有高質(zhì)量和持久性，不容易受損。王翰章等[2]通過單脈沖激光掃描和多脈沖兩個階段，在不銹鋼表面上利用不同的激光參數(shù)產(chǎn)生同種顏色。張震華等[3]探究了納秒激光在不銹鋼上激光彩色打標(biāo)的機(jī)理。高宏文等[4]利用激光在TC4鈦合金著色后探討其顏色質(zhì)量，且實(shí)現(xiàn)了彩色二維碼的標(biāo)刻。劉忠民等[5]利用納秒激光在304不銹鋼上著色后探究了其氧化規(guī)律。近些年來，隨著激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為改變鈦合金表面性質(zhì)的研究熱點(diǎn)之一。鈦合金由于其高強(qiáng)度、優(yōu)異的生物相容性以及耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)療等領(lǐng)域[6]。但是，鈦合金表面呈灰色，限制了其在一些需要考慮外觀美觀度的應(yīng)用領(lǐng)域的利用。通過激光著色，可以在不影響鈦合金內(nèi)部物理機(jī)械性能的情況下，精確控制和改變其表面顏色，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。近年來，許多研究團(tuán)隊(duì)利用不同類型和參數(shù)的激光，對鈦合金進(jìn)行表面處理，成功實(shí)現(xiàn)從淺灰到黑色的多種顏色著色[7]。并通過表面分析手段研究了著色機(jī)理，探討了處理參數(shù)對表面微觀結(jié)構(gòu)和組成的影響。這些研究結(jié)果表明，激光著色技術(shù)作為一種有潛力的鈦合金表面改性方法，值得進(jìn)一步深入研究[8]。本研究以TB2鈦合金為研究對象，利用納秒激光對其表面進(jìn)行著色處理，改變激光掃描速度在TB2表面制備出不同的顏色，以期獲得顏色變化與激光參數(shù)之間關(guān)系。

1、激光著色原理

1.1激光與材料之間的相互作用

通常，可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)激光在材料上的著色：①激光誘導(dǎo)形成金屬薄膜微結(jié)構(gòu)；②激光誘導(dǎo)形成金屬納米結(jié)構(gòu)[9]，兩種方法各有特點(diǎn)。第一種方法是利用激光誘導(dǎo)形成金屬薄膜微結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬薄膜受激光照射時，表面會形成周期微結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠反射、散射和吸收不同波長的光，從而顯示出各種顏色。第二種方法是利用激光誘導(dǎo)形成金屬納米結(jié)構(gòu)。在激光作用下，金屬材料會局部熔化并形成納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對不同波長光具有選擇性吸收和散射，能顯示出豐富的顏色效果。相比于后者，通過激光誘導(dǎo)形成金屬薄膜微結(jié)構(gòu)加工能夠保證成本更低、速度更快的同時，生成的顏色也足夠穩(wěn)定，因此目前主要采用該方法來實(shí)現(xiàn)金屬表面的著色。激光誘導(dǎo)金屬薄膜的工作原理是，通過激光的加熱，金屬材料表面發(fā)生氧化反應(yīng)形成氧化膜。在反應(yīng)初期，激光的能量被吸收，之后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?dǎo)致金屬表面的溫度升高，隨著金屬材料的溫度持續(xù)升高，氧化反應(yīng)的速率也會提高，氧化膜會變得更加厚實(shí)，同時金屬表面也會更加平滑[10]。

1.2顯色原理分析

關(guān)于激光在表面材料作用后的顯色原理，在最開始的研究階段中，LangladeC等[11]認(rèn)為，其顯現(xiàn)出的顏色只是基材表面上各金屬氧化物自身的顏色。但隨著越來越多的學(xué)者在該方面的探究，發(fā)現(xiàn)在著色過程中能夠產(chǎn)生的顏色種類數(shù)量實(shí)際上要遠(yuǎn)多于相對應(yīng)的金屬氧化物種類。DiamantiMV等[12]對激光作用后的金屬表面進(jìn)行進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，可以通過干涉現(xiàn)象來解釋物體激光作用后表面可呈色的原因。總體來說，這是因?yàn)椴煌伾趸锏暮穸炔煌斐傻摹?/p>

如圖１所示[13]，一束光線以平行的方式照射到氧化膜表面時，在表面發(fā)生反射現(xiàn)象，氧化膜內(nèi)部則發(fā)生折射現(xiàn)象。其中，光線L2在通過氧化層的同時進(jìn)行折射，并在下表面發(fā)生反射。這部分經(jīng)過折射的光線會與光線L1在氧化層上的反射光線L1′在空間中相交，形成一束干涉光束。干涉光束是由兩束光線相互疊加形成的，其強(qiáng)度和相位都會發(fā)生變化。光線L1′和光線L2′之間的光程差導(dǎo)致了干涉光束的相位差也同時會發(fā)生變化，即使它們在傳播中所經(jīng)歷的光程不同，最終還是會導(dǎo)致干涉光束呈現(xiàn)出不同的顏色。因此，當(dāng)一束平行光線照射到氧化膜表面時，由于干涉現(xiàn)象的存在，氧化膜會呈現(xiàn)出多種不同的顏色。其關(guān)系式可由式(1)表示。

式(1)中，λ為光的波長，δ為光程差；n0為光速在空氣中的折射率；n1為在氧化層的折射率；i0為光的入射角；d為氧化層的厚度，k取整數(shù)，則d的表達(dá)式為式(2)。

通過式(1)、式(2)可得，當(dāng)δ＝kλ時，干涉是增強(qiáng)的，若δ＝(2k+1)λ/２時則干涉會相消。根據(jù)式(1)，在干涉發(fā)生時，哪種波長的光會被加強(qiáng)主要取決于氧化層的厚度，且不同厚度的膜對應(yīng)不同的顏色。所以能夠推測出，隨著改變觀察氧化層的角度，所看到的氧化膜顏色也會相應(yīng)發(fā)生變化。

2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用的激光設(shè)備是光纖激光器（上海雕途實(shí)業(yè)有限公司），具體參數(shù)如下：輸出波長為1064nm，輸出功率為0~60W可調(diào)節(jié)，脈沖的重復(fù)頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)在20~200kHz之間，激光的脈寬設(shè)定為10ns。該激光器的工作焦距為31.9cm，能夠掃描的工作區(qū)域大小為150mm×150mm。該激光系統(tǒng)可調(diào)整激光打標(biāo)的速度和填充方式，激光掃描方式如圖2所示。同時，還可以調(diào)整激光的重復(fù)頻率以及輸出功率等重要參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中使用光譜儀（HR4000CG-UV-NIR型，海洋光學(xué)公司）來測量著色后反射光譜，用來分析顏色特征。測量過程中采用D65標(biāo)準(zhǔn)光源，測量的波長為可見光范圍380~780nm。依據(jù)反射光譜，通過計算獲得2°視場下的CIE1931色度坐標(biāo)值來更好地表征顏色。

2.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料是2mm厚的TB2鈦合金（Ti-5Mo-5V8Cr-3Al），樣品尺寸為50mm*50mm，其表面成分可見表1。TB2材料具有優(yōu)異的激光吸收性能，可以在激光照射下快速實(shí)現(xiàn)著色，而且可以實(shí)現(xiàn)多種顏色的著色效果。實(shí)驗(yàn)前需對樣品進(jìn)行超聲波清洗，因?yàn)闃悠繁砻嫒粲星邢骱蟮臍埩粑锘蚴请s質(zhì)吸附物，可能會直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，例如會出現(xiàn)顏色失真甚至整個著色區(qū)域著色結(jié)果不均勻的現(xiàn)象。

3、結(jié)果與分析

3.1激光參數(shù)對著色的影響

激光著色需要準(zhǔn)確地調(diào)控激光的各個參數(shù)，各參數(shù)的改變都可能會對著色效果造成影響。例如在正常作用下，各參數(shù)保持不變，加大激光的功率可能會對金屬基材造成熔化和去除現(xiàn)象。激光與金屬材料表面的相互作用原理是基于光化學(xué)反應(yīng)，這是一個極其復(fù)雜的過程。激光與金屬材料相互作用時，會引發(fā)表面結(jié)構(gòu)的改變和化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生不同的顏色。理論上，通過調(diào)整激光參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對金屬表面的精細(xì)控制和定制化著色。本研究在功率P=4W、頻率f=200kHz、線間距d=1μm條件下，通過改變激光掃描速度，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)在TB2表面制備出一系列顏色，如銀色、灰綠色、藍(lán)色、紫色、金色等豐富的色相，如圖3所示僅列出其中的8種顏色。當(dāng)激光的掃描速度較慢時，材料表層會吸收更多的激光能量，進(jìn)而促使氧化反應(yīng)更明顯。而隨著掃描速度的提高，激光能量的吸收減少，伴隨著能量密度與工作時間下降，會降低激光與基材表面反應(yīng)的氧化程度，最終所生成的氧化膜也會隨之變薄[14]，不同厚度的氧化膜對入射光有著不同波段的吸收與反射，從而形成豐富的顏色特征。

3.2表面形貌的表征

通過使用數(shù)字顯微鏡觀察金屬材料表面得到如圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。未經(jīng)激光掃描的鈦合金表面較為平整（如圖4a）。隨著激光開始在表面作用，在不同掃描速度下的基材表面形貌發(fā)生了變化。圖4b是在相對較高的掃描速度下得到的表面形貌，整體來說變化其實(shí)不是很明顯，表面留有輕微的激光掃描痕跡。而圖4c與圖4d在使用相對較小一些的速度參數(shù)時，表面形貌與圖4a相比有明顯的激光掃描痕跡，這是因?yàn)榛谋砻媾c激光的相互作用并非為恒溫，這會使得激光的光斑中心區(qū)域與周圍區(qū)域也非等溫。在非等溫作用過程中，激光的掃描速度越低，使得整體能量密度越大，最終會不均勻地完成整個氧化過程[15]。

3.3著色規(guī)律分析

人們對顏色的感知是一個復(fù)雜的過程，涉及諸多方面，包括光學(xué)、光化學(xué)、視覺生理和視覺心理。當(dāng)光線經(jīng)過物體的反射或透射后進(jìn)入人眼時，會激活視覺系統(tǒng)，讓人們產(chǎn)生對物體亮度和顏色的感知。這些感知信息會傳送到大腦的中樞，經(jīng)過處理后形成顏色的知覺。然而，在日常生活中，由于周圍環(huán)境的不斷變化，即使觀察者具有豐富的顏色觀察經(jīng)驗(yàn)和敏銳的判斷力，所得到的觀測結(jié)果仍然會具有主觀性和受環(huán)境變量影響的隨機(jī)性。為了提取相對客觀的顏色數(shù)據(jù)，以便于分析顏色變化，因此需要選擇合適的設(shè)備來提取顏色信息及選擇合適的顏色空間對顏色進(jìn)行評估[16]。本實(shí)驗(yàn)選用CIE1931色度坐標(biāo)來表征顏色的色度特征。CIE1931色度坐標(biāo)是一種用于描述和表示顏色的坐標(biāo)系統(tǒng)，由國際照明委員會（CIE）于1931年提出。它是基于人眼對不同波長光的感知和顏色感知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而建立的，將不同的顏色表示為坐標(biāo)點(diǎn)，從而在色度圖上繪制出不同顏色的分布，顏色的色度坐標(biāo)可以從其光譜功率分布中計算出來。

為了更好地探究著色后顏色的變化規(guī)律，本研究選取掃描速度在210~280mm/s范圍之間，間隔10mm/s，制備8種顏色，測量其反射光譜曲線如圖5所示。不同光譜曲線代表了不同顏色在入射光源照射后樣品對入射光選擇性吸收及反射的結(jié)果。僅從反射光譜曲線特征不能直觀地看出顏色的特征。通常，利用公式[17]計算其色度坐標(biāo)列入表2，并將其繪制在圖6中。通過圖6分析1號樣品至8號樣品的顏色變化規(guī)律，可以看出所產(chǎn)生的顏色是從黃色向藍(lán)紫色變化過渡，最后再回到黃色的規(guī)律。圖6樣品1到8色度坐標(biāo)點(diǎn)所圍成色域范圍體現(xiàn)出激光處理TB2顏色豐富性，這使得其實(shí)現(xiàn)實(shí)際著色圖案表達(dá)成為可能。

在激光著色過程中，會發(fā)生高溫氧化現(xiàn)象?；谋砻媾c空氣中的氧氣發(fā)生接觸，在接觸區(qū)域，氧氣會被輸送到正在生成的氧化膜中。隨著氧氣逐漸減少，若想進(jìn)行下一步的氧化只能通過擴(kuò)散在氧化膜中的氧離子和金屬離子來實(shí)現(xiàn)[18]。當(dāng)掃描速度不同時，激光的持續(xù)時間隨之不同，光與熱的氧化過程會在不同的時間內(nèi)完成，因此氧分子的擴(kuò)散深度不同，氧化膜的厚度不同。在不同厚度的氧化膜中入射光發(fā)生復(fù)雜的表面反射、吸收與多重內(nèi)反射的光學(xué)作用，從而形成不同顏色外觀。激光可以控制材料表面只限于很薄的一層進(jìn)行著色處理，不會影響材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能。因此顏色的穩(wěn)定性更好，不會因時間或環(huán)境變化而褪色。使用激光直接將顏色信息轉(zhuǎn)化為材料表面層的化學(xué)成分或結(jié)構(gòu)變化。與其他涂料方法相比，不會因?yàn)轭伭蠈雍穸然虮砻嫣幚聿痪鶆驅(qū)е骂伾灰弧?/p>

3.4激光著色彩色圖案

激光著色彩色圖案是一種利用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圖案展示方式，它在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的彩色打印機(jī)不同，激光著色形成的多彩圖案具有更高的耐久性和穩(wěn)定性。激光光束的高能量和高溫度使得圖案在著色過程中能夠更好地與材料結(jié)合，形成更加牢固的圖案。相比之下，彩色打印機(jī)所使用的墨水或顏料往往容易受到外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致圖案的褪色或模糊。因此，激光著色形成的圖案具有更長的使用壽命和更好的抗污染能力，適用于需要長時間保持圖案完整和清晰的場景。圖7展示了在尺寸為50mm×50mm、2mm厚的TB2鈦合金原材料表面上使用不同的激光參數(shù)同時進(jìn)行著色，形成的多彩圖案。圖7a是在TB2鈦合金上的呈色效果，圖7b為所生成的彩色圖案細(xì)節(jié)圖。

4、結(jié)論

本研究通過改變激光的掃描速度成功獲得了包括黃色、紫色和藍(lán)色等多種顏色樣本。掃描速度是影響鈦合金表面氧化膜著色效果的重要因素之一。隨著掃描速度的增加，可以觀察到顏色逐漸從黃色到藍(lán)色過渡到紫色最后再回到黃色，這是由于氧化膜的厚度和光學(xué)干涉效應(yīng)的變化所導(dǎo)致的。另外，在激光處理樣品的微觀特征中，可以觀察到樣品表面的氧化過程會引起TB2表面的不平整性，不均勻的表面亦會造成入射光反射干涉等作用的變化，結(jié)合激光處理基材的表面形貌特征研究顏色也將是未來有意義的研究方向。

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主要作者

劉壯（1979年-），博士，教授，碩士生導(dǎo)師；主要研究方向?yàn)楣δ懿牧系闹悄苤苽浼夹g(shù)及裝置。

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.