近日，由温州大学激光基地薛伟教授主持的国家自然科学基金联合基金重点支持项目《面向海工装备的超快激光加工超疏水复杂构件关键技术研究》（项目编号）顺利结题。本项目的完成可以改善因海水腐蚀、海洋生物附着等对海工装备造成的重大的经济损伤和安全隐患，将为未来10年我国海工装备制造业领域全面做强提供一项重要的使能技术支撑。该项目由国家自然科学基金联合基金重点支持项目浙江两化融合联合资助完成。
在海洋工程、航空航天、能源动力、高铁机车等领域，许多关键构件如飞机机翼和机身、船用螺旋桨、透平叶轮等，外形表面设计为空间复杂曲面，如何在这些复杂曲面零部件表面精密加工与之共形的功能微结构是我国高端制造技术与装备研发中迫切需要解决的关键科技问题。海工装备是浙江省的传统优势产业，也是“中国制造2025”的十大重点发展领域之一。海水腐蚀、海洋生物附着是舰船、海洋油气资源开发装备、海洋浮体结构物等各类海工装备的顽疾，造成重大的经济损伤和安全隐患。
本项目主要针对海洋舰船、油气资源开发装备、海洋浮体结构物等各类海工装备的抗生物附着污损、减阻降噪等需求，开展超快激光加工海工装备典型金属复杂构件超疏水表面关键技术研究。所谓的“超疏水表面”，就是在金属表面实现“荷叶效应”，需要激光在比头发丝还要细的地方做微雕，用激光在金属表面切割出数十个甚至数百个微米级或纳米级的“小山”，使其表面构造类似荷叶，有助于锁住空气，防止水将表面润湿。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染，从而实现金属的“自清洁”，有助于金属的防腐蚀防附着等。
本项目研制了基于多光束并行加工的皮秒激光加工系统，可在曲面上实现各种形状刻蚀、加工等。设计了超疏水微结构单元的曲面共形布局算法以及激光刻蚀工艺规划控制软件，在光路设计、光束变换与诊断、工件标定、工艺参数调控、测试方法等方面取得了系列原创知识产权。针对典型船体用钢、钛合金、铝合金等金属材料，系统研究了光束能量时间/空间特征参量的动态特性对激光刻蚀图形精度、表面粗糙度及刻蚀效果重复性的影响规律，发展了不同材质超疏水/超亲水表面粗糙结构的快速构筑机理，掌握了激光刻蚀制备的典型图形化微结构尺寸大小、结构类型及粗糙界面微观形态与抗微生物附着性能、增浮减阻性能的关系及控制机理，拓展了超润湿性表面在增浮减阻性能、液滴粘附行为、可控蒸发浓缩、水下声学传输特性调控、除冰功能微结构等方面的应用研发。
该项目共发表学术论文27篇，其中SCIE/ SSCI 17篇，授权发明专利11件，培养硕士13名，博士后1名，技术转让7项。项目研制出的可移动式六自由度机器人激光清洗机和管道内壁激光清洗机器人，正用于中国民航飞行学院的教练机蒙皮除漆防冰需求场合、领伟创新智能系统（浙江）有限公司的五金洁具（圆柱工件）的表面自动抛光。自主研制的多光束并行超快激光投影式精密刻蚀成套装备及配套工艺软件，在江南阀门有限公司、上海尚朴光电技术有限公司等单位获得应用，初步实现了从应用基础研究向工程应用的转化，产生了上亿的经济效益。
图1 水珠从黑色金属表面滚落，经过改造的金属表面再现“荷叶效应”
图2 超快激光制备金属超疏水微结构的抗微生物附着污损、壁湍流减阻特性
