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激光微加工对Ti6Al4V表面形貌及润湿性影响的研究

张冲 王冠 刘赞丰 张雅文

引用本文:
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激光微加工对Ti6Al4V表面形貌及润湿性影响的研究

    作者简介: 张冲(1991-),男,博士研究生,现主要从事激光微细加工与检测的研究.
    通讯作者: 王冠, wangguan@gdut.edu.cn
  • 基金项目:

    四会市科技计划资助项目 2017A0101001

    肇庆市科技计划资助项目 2019K023

  • 中图分类号: TG665;TN249

The effects of laser micromachining on surface morphology and wettability of Ti6Al4V

    Corresponding author: WANG Guan, wangguan@gdut.edu.cn ;
  • CLC number: TG665;TN249

  • 摘要: 为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其润湿性,使其表面具有超疏水性,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量密度和扫描间距对点阵、线阵及网格3种微结构的表面形貌及润湿性的影响,建立了接触角与表面特征参量Sa, Sd的关系。结果表明, 脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量Sa, Sd均有所影响,且对网格结构的SaSd的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小;激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,不同的脉冲能量、扫描间距加工的微结构均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差;网格、线阵、点阵结构的最大及最小接触角分别为165°, 160.5°, 142.4°;132.9°, 97°, 94.6°,具有最大接触角的表面参量Sa, Sd分别为0.97μm, 1.38;1.62μm, 1.04;4.14μm, 2.39。该研究对改善Ti6Al4V表面润湿性具有一定参考意义。
  • Figure 1.  Schematic diagram of contact angle

    Figure 2.  Schematic of laser processing

    Figure 3.  3-D morphology and cross-section profile of ablation pits at η=10%

    Figure 4.  Relationship between diameter and depth of ablation pits and energy density

    Figure 5.  3-D morphology of the substrate surface after laser processing

    Figure 6.  Relationship of Sa, Sd, δ and η

    Figure 7.  Relationship between contact angle and δ and η

    Figure 8.  Surface contact angle

    Table 1.  Main parameters of laser equipment

    process parameter value
    laser medium Yb-fiber
    laser beam mode TEM00
    focal spot diameter d 35μm
    laser radiation wavelength λ 1064nm
    laser nominal average power Pave 1W~20W
    pulse duration time τ 4ns~200ns
    pulse repetition frequency f 0kHz~1000kHz
    beam scanning speed v 0mm/s~2000mm/s
    下载: 导出CSV

    Table 2.  Energy density at different average power percentages

    η/% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
    Pave/W 0.626 0.8 1.24 1.67 2.08 2.54 2.99 3.45 3.91 4.33
    Φ/(mJ·mm-2) 69 88.2 136.7 184 229.2 279.9 329.5 380.2 430.9 477.2
    下载: 导出CSV

    Table 3.  Ti6Al4V element content

    element Al V Fe C N H O other Ti
    mass fraction 0.056~0.065 0.035~0.045 0.003 0.0008 0.0005 0.00015 0.002 0.001 balance
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 录用日期:  2020-03-18
  • 刊出日期:  2021-01-25

激光微加工对Ti6Al4V表面形貌及润湿性影响的研究

    通讯作者: 王冠, wangguan@gdut.edu.cn
    作者简介: 张冲(1991-),男,博士研究生,现主要从事激光微细加工与检测的研究
  • 1. 广东工业大学 机电工程学院, 广州 510006
  • 2. 广东四会实力连杆有限公司, 四会 526200
基金项目:  四会市科技计划资助项目 2017A0101001肇庆市科技计划资助项目 2019K023

摘要: 为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其润湿性,使其表面具有超疏水性,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量密度和扫描间距对点阵、线阵及网格3种微结构的表面形貌及润湿性的影响,建立了接触角与表面特征参量Sa, Sd的关系。结果表明, 脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量Sa, Sd均有所影响,且对网格结构的SaSd的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小;激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,不同的脉冲能量、扫描间距加工的微结构均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差;网格、线阵、点阵结构的最大及最小接触角分别为165°, 160.5°, 142.4°;132.9°, 97°, 94.6°,具有最大接触角的表面参量Sa, Sd分别为0.97μm, 1.38;1.62μm, 1.04;4.14μm, 2.39。该研究对改善Ti6Al4V表面润湿性具有一定参考意义。

English Abstract

    • 钛合金因质量轻、强度高等优异的性能,已被广泛应用于航空航天[1-2]。此外,由于钛合金具有优异的抗海洋环境腐蚀能力,因此, 它也是海洋油气、海港建筑、海洋船舶等海洋工程的首选材料[3]。由于海洋环境非常恶劣,随着时间的推移,海洋设施不可避免地会受到海洋环境的危害[4]。仿生学研究表明,疏水性表面可以有效地避免污染物的附着,有效地减缓或防止海洋环境对材料的损害[5]。如果能使材料表面具有疏水性,则可以使材料具备自清洁能力,这有望从根本上解决海洋环境对材料的侵害[6]

      润湿性是固体材料的重要特征之一。表面润湿性主要受表面化学组成及表面微观形貌的影响,前者主要决定材料的表面能,而后者主要影响材料的表面形貌,因此可以从这两方面着手来制备具有疏水或超疏水性的表面[7-8]。由于材料表面能越低其疏水性越好,通常是在材料表面涂覆低表面能物质,来降低表面能提高疏水性,但这种方法获得的疏水性表面不是很好且成本高[9-10], 所以最常用的是在材料表面加工微结构,以改变材料表面形貌,达到改善其表面润湿性的目的[11]。激光微加工具有速度快、精度高、稳定性好、无环境污染等诸多独特的优势[12-13],仅需改变激光加工参量即可在材料表面加工不同形貌的微结构,其已成为其它加工方式的有效替代方案[14]

      以Ti6A14V为研究对象,通过激光加工产生微结构来改变其表面形貌,以改善其表面润湿性,提高其抵抗海洋环境破坏的能力。

    • 润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力[15]。接触角是材料表面润湿性的基本特征参量[16]。当液体停留在固体表面时,会在固体表面呈球体或半球体铺开,如图 1所示。在固-液-气相交点处,气-液界面的切线与固-液界面的切线的夹角被表征为接触角。在一个理想的水平光滑表面上,固体表面的接触角由杨氏经典方程给出:

      Figure 1.  Schematic diagram of contact angle

      $ {\gamma _{{\rm{LV}}}}\cos \theta = {\gamma _{{\rm{SV}}}} - {\gamma _{{\rm{SL}}}} $

      (1)

      式中, γSV, γSLγLV分别为固-气、固-液及液-气之间的界面张力[17]

      一般认为,接触角θ在90°~150°之间的表面为疏水表面;接触角大于150°的表面为超疏水表面;接触角小于5°的表面为超亲水表面[18]

    • 实验设备采用中山汉通激光设备有限公司的HT-20F型脉冲光纤激光加工装备,其主要参量见表 1

      Table 1.  Main parameters of laser equipment

      process parameter value
      laser medium Yb-fiber
      laser beam mode TEM00
      focal spot diameter d 35μm
      laser radiation wavelength λ 1064nm
      laser nominal average power Pave 1W~20W
      pulse duration time τ 4ns~200ns
      pulse repetition frequency f 0kHz~1000kHz
      beam scanning speed v 0mm/s~2000mm/s

      由于激光器的脉冲能量与脉宽、频率及平均功率百分比有关。实验中为了方便调节脉冲能量且保持其它条件不变,故保持脉宽τ=100ns,脉冲频率f=10kHz,通过改变平均功率百分比η来调节脉冲能量。通过激光功率仪对所选参量的平均功率Pave进行了测量,并通过(2)式对激光功率密度Φ进行了计算,其结果见表 2

      Table 2.  Energy density at different average power percentages

      η/% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
      Pave/W 0.626 0.8 1.24 1.67 2.08 2.54 2.99 3.45 3.91 4.33
      Φ/(mJ·mm-2) 69 88.2 136.7 184 229.2 279.9 329.5 380.2 430.9 477.2

      $ \varPhi = \frac{{4{P_{{\rm{ave}}}}}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{d^2}f}} $

      (2)

      图 2所示,先对Ti6Al4V基板进行单点加工预实验,并对单点烧蚀坑形貌进行观测及测量,然后根据其直径D,选取不同的扫描间距W,在Ti6Al4V基板上加工点阵、线阵及网格3种微结构,扫描速率v=100mm/s。

      Figure 2.  Schematic of laser processing

      实验材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的Ti6Al4V钛合金,其化学成分列于表 3中。

      Table 3.  Ti6Al4V element content

      element Al V Fe C N H O other Ti
      mass fraction 0.056~0.065 0.035~0.045 0.003 0.0008 0.0005 0.00015 0.002 0.001 balance

      由于轧制工艺制成的钛合金板表面粗糙度差异较大,Ti6Al4V基板在进行激光微加工前,采用3000目砂纸对其表面进行了抛光处理,以避免原表面差异性对实验结果的影响。

    • 使用激光共聚焦电子显微镜(OLYMPUS OLS4000)对激光加工后基板表面的单个烧蚀坑形貌进行了观测,并对烧蚀坑的直径D及深度H进行了测量。如图 3所示,烧蚀坑中央部位为表面材料发生熔化、汽化、熔化物对流及重新凝固后形成的凹坑,边缘为熔化物重新凝固形成的凸起,凹坑呈中部深边缘浅的“碗状”且其表面较光滑,这是由于激光束的光斑模式为TEM00,其能量大致呈高斯分布,光斑的能量密度从中心到边缘逐渐减弱,从而会在基板上烧蚀出中央深边缘浅的凹坑。

      Figure 3.  3-D morphology and cross-section profile of ablation pits at η=10%

      图 4所示,在脉冲能量较小时,烧蚀坑的直径D和深度H随着脉冲能量的增加而大致呈线性增加,因为较高的脉冲能量会产生更大的熔池,从而使DH增大。当脉冲能量增加到一定值时,DH的增加速度就会逐渐减慢,特别是在脉冲能量相对较高时,DH的大小会逐渐呈现饱和趋势。

      Figure 4.  Relationship between diameter and depth of ablation pits and energy density

      为了更方便地描述扫描间距,现引入重叠率δ这一新参量,其具体表达见下式:

      $ 8 = \left( {1 - \frac{W}{D}} \right) \times 100\% $

      (3)

      后续分别选取δ为30%, 0%, -30%, -60%,η为10%, 30%, 60%, 100%,在基板上加工点阵、线阵及网格3种不同类型的微结构,以研究脉冲能量、扫描间距和微结构类型对表面形貌及润湿性的影响。

    • 图 5为激光共聚焦电子显微镜(OLYMPUS OLS4000)测量的激光加工后基板表面的3维形貌。当δ为-30%和-60%时,从图 5a图 5b图 5e图 5f图 5i图 5j可知,点阵、线阵及网格结构的表面均存在未被激光烧蚀的区域,且未被烧蚀区域的面积随着δ的增大将有所减小;当δ=0%时,从图 5c图 5g图 5k可看出,线阵及网格结构的表面均被激光完全烧蚀,但点阵加工依然存在少量区域未被激光烧蚀;当δ=30%时,从图 5d图 5h图 5l可看出,点阵、线阵及网格结构的表面均被激光全完烧蚀,且有部分区域被激光重复烧蚀多次。

      Figure 5.  3-D morphology of the substrate surface after laser processing

      为了进一步对激光加工后的表面形貌进行分析,采用激光共聚焦电子显微镜在加工表面随机选取5个位置,根据ISO 25178-2标准,对其表面算术平均高度Sa及表面积增加比Sd进行了计算。

      图 6中绘制出了SaSdδη的关系。由图 6a可知,对于点阵结构,η=10%时,Saδ的增加而增大,在δ=30%时Sa有极大值;η=30%, 60%或100%时,Saδ的增加而先增大后减小,均在δ=0%时有极大值,因此在δ=0%, η=100%时Sa有最大值1.18μm。由图 6b可知,对于点阵结构,无论η取何值,Sd均随δ的增加而增大,因此在δ=30%, η=100%时, Sd有最大值1.487。由图 6c6e可知,对于线阵或网格结构,无论η取何值,Sa均随δ的增加而增大,且在δ相同时,Sa随η的增加而增大,因此在δ=30%, η=100%时, Sa有最大值,分别为3.14μm, 4.25μm。由图 6d图 6f可知,对于线阵或网格结构,η=10%时,Sdδ的增加而增大,在δ=30%时有最大值,分别为1.08, 1.96;η为30%, 60%或100%时,Sdδ的增加而先增大后减小,均在δ=0%时有极大值,因此在δ=0%, η=100%时, Sa有最大值,分别为1.61, 2.39。因此,脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量SaSd均有所影响,且网格结构对表面形貌参量SaSd的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小。

      Figure 6.  Relationship of Sa, Sd, δ and η

    • 有研究表明,通过沉积方法在镍表面制备锥型阵列(micronano cone array, MCA)微纳结构后,MCA的表面结构在改善表面润湿性方面起着重要作用,刚制备的表面表现出超亲水性,当表面在室温下暴露于空气中时,随着时间的推移, 该表面会发生从超亲水性到超疏水性的自发转变[19]

      为了探究激光在Ti6Al4V表面加工微结构后是否会有相似的现象发生,使用接触角分析仪(NBSI OSA200)在25℃下,对经激光处理的Ti6Al4V基板表面进行了接触角测量,使用液体为蒸馏水,测试液滴的体积为3μL,每个试样重复测量3次。未进行激光加工的基板表面接触角约为87°,在加工后24h内,水滴到表面后会瞬速摊开,表面皆表现为超亲水性。

      图 7a~图 7c分别为点阵、线阵及网格加工15d后,接触角随δη的变化关系。由图 7a可知,点阵加工中,在δ=-30%, η=60%时,基板表面有最小接触角94.6°,在δ=0%, η=30%时,基板表面有最大接触角142.4°。由图 7b可知,线阵加工中,在δ=30%, η=100%时,基板表面有最小接触角97°,在δ=-60%, η=30%时,基板表面有最大接触角160.5°。由图 7c可知,网格加工中,在δ=-30%, η=60%时,基板表面有最小接触角132.9°,在δ=0%, η=100%时,基板表面有最大接触角165°。因此,激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,脉冲能量、扫描间距及微结构类型均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差。

      Figure 7.  Relationship between contact angle and δ and η

      图 8a~图 8c中分别为激光加工15d后,点阵、线阵及网格的最大接触角。

      Figure 8.  Surface contact angle

    • 通过纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行微加工,研究了脉冲能量和扫面间距对点阵、线阵及3种微结构的表面形貌及润湿性的影响,并建立了接触角与表面特征参量SaSd的关系,研究表明, 激光对Ti6Al4V表面润湿性具有很好的改善作用。

      (1) 在脉冲能量较低时,单个烧蚀坑的直径和深度随着脉冲能量的增加而大致呈线性增加,在脉冲能量相对较高时,单个烧蚀坑的直径和深度的增加会逐渐呈现饱和趋势。

      (2) 脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量SaSd均有所影响,且对网格结构的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小。

      (3) 激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,不同的脉冲能量、扫描间距加工的微结构均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差。

      (4) 网格、线阵、点阵结构的最大及最小接触角分别为165°, 160.5°, 142.4°;132.9°, 97°, 94.6°,其具有最大接触角的表面参量Sa, Sd分别为0.97μm, 1.38;1.62μm, 1.04;4.14μm, 2.39。

      需指出的是, 本文中并未对激光参量、扫面间距及微结构类型进行进一步优化,在后续研究中可以采用正交实验或响应曲面等方法对其进行优化,以获得具有更大接触角的超疏水表面结构。

参考文献 (19)

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