TC4微織構表面液滴撞擊特性實驗研究

2023-10-24 01:37:44楊廣峰

激光與紅外 2023年9期

崔靜,白娟,楊廣峰

(中國民航大學航空工程學院,天津 300300)

1 引言

鈦及其合金材料因其具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕等優點,在航空、航海、生物和工業領域均有廣泛的應用[1]。

超疏水現象自發現以來,國內外學者用不同方法,依照植物表面[2]、動物器官表面[3-4]和自設計紋理進行超疏水表面微織構構建。激光刻蝕[5]作為構建表面微織構的一種方法,具有簡單、高效、適用于金屬的加工的獨特優勢,被廣泛應用于金屬表面改性。應用于金屬加工的激光器主要包括微秒激光、納秒激光器、皮秒激光器及飛秒激光器。其中納秒激光相較于飛秒激光和皮秒激光加工成本更低,較于微秒激光刻蝕更精確,因而被廣泛關注。目前,用納秒激光器在鈦及鈦合金表面刻蝕的研究集中在表面形貌成型規律、激光成型機理等方面。如鄭卜祥[6]等人利用皮秒激光對鈦合金的燒蝕形貌、燒蝕閾值以及激光與靶材的作用機理進行了研究。Peng Edwin[7]等人通過對激光通量以及累積脈沖數進行組合,總結了Ti表面丘狀結構以及表面組織形貌的成型規律。液滴撞擊是一種工業和技術應用中普遍存在的現象,涉及氣、液、固的多相耦合過程。超疏水微織構表面由于其具有好的疏水性,液滴滾落過程中會促進表面清潔性、抑霜性、等。因此液滴撞擊特性研究對工業技術中有重要的指導作用。如Yuan Zhicheng[8]等人通過數值模擬研究了具有潤濕性梯度表面的溝槽寬度對液滴操控的影響。Songtao Hu[9]等人利用飛秒激光在鋼表面構造三層分級表面來實現對液滴的分裂和旋轉操控。

本文通過改變激光的掃描速度,對四組疏水性能不同的激光刻蝕鈦合金微織構表面的元素含量及潤濕特性進行對比,并記錄不同表面的液滴撞擊動態行為過程。分析了掃描速度對表面形貌、表面疏水性、液滴撞擊特性的影響規律,詳細論述了表面疏水性和動力學行為影響機制,期望為鈦合金疏水功能性表面構建與工業應用提供參考。

2 材料及實驗設計

2.1 實驗材料

本文選擇TC4(Ti-6Al-4V)作為加工基材。鈦合金的前處理流程為:

1)用線切割機將基材切割成15 mm×15 mm×5 mm大小的試件。

2)使用全自動磨拋機(DCZ-100型)對試件進行打磨,得到粗糙度Sa小于0.53 μm的光滑表面。

3)對試件表面進行清洗,烘干后用靜電膠封存備用。

2.2 實驗設計

使用多參數可調節的杰普特YDFLP-C-20-M7-S-X型納秒激光器對試件表面進行表面激光刻蝕加工,激光器入射光源的中心波長1064 nm。通過預制測試實驗,確定可形成較佳鈦合金燒蝕表面的激光參數范圍,最終確定如下激光加工參數:脈沖寬度150 ns,重復頻率80 kHz、平均功率10 W、掃描間距均為80 μm,掃描速度分別為100 mm·s-1、150 mm·s-1、200 mm·s-1和250 mm·s-1。激光加工過程中,設計表面刻蝕紋理為“井”字型結構。

利用掃描電子顯微鏡(Gemini SEM 500,Zeiss)觀察加工后表面的微觀組織形貌,測定表面元素含量占比。利用共聚焦顯微鏡(OLYMPUS 4100,Olympus)觀察表面三維輪廓,并測量表面粗糙度。利用接觸角測量儀(JC2000D4M型,中晨)對黑暗中存儲一個月的試件表面的接觸角、滾動角及遲滯角進行測試,為了確保測試的準確性,每項測試均重復5次,取平均值。利用高速攝像機(5KF20,千眼狼)實驗平臺記錄液滴撞擊表面的動態行為過程,設定高速攝像機幀率為3000 FPS,曝光時間設定為300 μs,環境溫度保持在20 ℃。空氣的相對濕度維持在47.5±0.5 %。實驗中水滴大小均為15 μL,水滴距撞擊表面高度均為20 mm。

3 分析與討論

3.1 表面結構與元素分析

圖1為激光作用后不同掃描速度下的表面形貌圖。由圖1(a1)、(a2),當掃描速度為100 mm·s-1時,表面未呈現出規整的“井”字棱格狀特征,表面出現大量微米級凸起以及孔洞,大凸起分布稀疏。用Sa來表征區域輪廓的粗糙程度,掃描速度為100 mm·s-1工況下表面的區域形貌的算數平均偏差Sa為9.04。由圖1(b1)、(b2),當掃描速度為150 mm·s-1時,凸起發生分裂并互相貫穿連接,凸起分布密集,凸起-溝槽之間的界限清晰;在此工況下表面區域形貌的算數平均偏差Sa為17.3,與其他掃描速度工況下的表面相比,其Sa最大,表面輪廓的最大高度最大。由圖1(c1)、(c2),當掃描速度增大到200 mm·s-1時,表面凸起變短變窄,但凸起分布仍較密集,也顯現出明顯的棱格狀特征。此時表面的區域形貌的算數平均偏差Sa為16.1。由圖1(d1)、(d2),當掃描速度逐漸增大為250 mm·s-1時,由于掃描速度的增加,激光的燒蝕能力逐漸減弱,凸起零散分布于表面,表面未見溝槽結構;此時表面的Sa為7.02,表面輪廓的最大高度最小。

圖1 不同掃描速度下的表面形貌圖

在上述四種工況下,表面粗糙度的變化呈現先增大后減小的趨勢。這是由于激光直接作用的區域溫度較高,該區域的材料在加工時會被熔化、汽化。掃描速度較低時,由于表面比能大、熔融范圍大,在局部高溫環境下大量液態金屬回流造成燒蝕部位被回填,因而表面粗糙度小。當掃描速度達到250 mm·s-1時,由于激光的光斑移動變快,表面比能變小,激光的熔融和燒蝕能力降低,使得表面粗糙度減小。

圖2為表面元素含量隨掃描速度的變化圖。由圖,在激光作用后,表面的氧、碳元素含量占比相對于未加工表面氧、碳元素含量占比有著明顯的提升。氧元素含量的增加是由于被加工表面直接暴露在空氣中,空氣中的氧氣使金屬在加工過程中發生劇烈氧化。對比四組激光加工表面,氧元素含量占比增幅逐漸減小,這說明隨著掃描速度的增加,表面比能減小、燒蝕減弱,與上述不同掃描速度下表面形貌圖表現出的規律一致。碳在空氣中的占比是0.00927 %,因此激光加工表面碳元素含量占比的顯著升高來源于碳的長期累積。

圖2 表面元素含量

金屬表面在被激光燒蝕后生成鈦的氧化物,具有較強的極性,能吸附空氣中的水蒸氣、含碳有機物并在激光作用表面生成新的非極性化合物降低總表面能。對比四組激光加工表面碳元素含量占比,低掃描速度下碳元素含量占比較高,即含碳有機物吸附量較高;高掃描速度下碳元素含量占比較低,即含碳有機物吸附量較低。

3.2 表面潤濕性變化分析

圖3為不同表面的接觸角、滾動角與遲滯角。由圖可知,接觸角隨著掃描速度的增大先增大后減小,滾動角與遲滯角的變化呈恰好相反的規律。在掃描速度為200 mm·s-1的工況下靜態接觸角達到峰值為138.51°,滾動角最小為8°,遲滯角僅為2.02°,表面已接近超疏水的狀態,表面疏水性能達到最佳。結合表面形貌圖和元素含量分布圖,掃描速度為200 mm·-1工況時,表面的粗糙度較大,表面微織構特征顯著。

圖3 不同表面的接觸角、滾動角與遲滯角

表面微織構的構造有利于提升金屬表面疏水性,又由于表面含碳有機物的吸附使金屬表面的疏水性能進一步增加。綜上,表面的疏水性變化受到表面微織構和表面化學性質綜合影響。

3.3 液滴撞擊特性

圖4為液滴撞擊微織構表面動力學行為演變過程。在圖4(a)中,各個表面上水滴的形態沒有明顯的差異,均呈現“扎釘效應”。水滴撞擊行為均可分為四個階段,接觸、壓縮、鋪展至未完全回彈。定義鋪展系數β為水滴鋪展的最大直徑處D與未鋪展前液滴直徑D0之比,最大鋪展系數βmax為液滴鋪展至最大時的直徑Dmax與未鋪展前液滴直徑D0之比。

圖4 液滴撞擊微織構表面動力學行為演變

鋪展系數可描述水滴與表面的接觸行為。由圖4(b),隨著掃描速度的增加,最大鋪展半徑呈現先增加后減小的變化趨勢。

結合不同表面的接觸角變化趨勢,發現兩者的變化趨勢相同,說明最大鋪展系數與表面的疏水性相關,最大擴散直徑會隨著接觸角的增大而增加。這是由于水滴撞擊微織構表面時具有一定的速度,因此向下沖擊時會有部分水浸入表面,水滴發生向Wenzel浸潤狀態轉變。當水滴撞擊疏水性好的表面時,表面良好的疏水性使水滴更難浸潤表面,減少表面黏性耗散;另一方面撞擊擴展時片層邊緣更容易捕獲空氣從而形成空氣旋渦,使水滴中的空氣受到擠壓繼而為片層提供升力,進一步減小表面的黏性耗散,使得液滴擴展時出現滑移現象,最終使疏水性好的表面液滴的鋪展系數變大。