TC4微織構(gòu)表面液滴撞擊特性實(shí)驗(yàn)研究

崔 靜,白 娟,楊廣峰

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)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(yōu)點(diǎn),在航空、航海、生物和工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[1]。

超疏水現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來,國內(nèi)外學(xué)者用不同方法,依照植物表面[2]、動(dòng)物器官表面[3-4]和自設(shè)計(jì)紋理進(jìn)行超疏水表面微織構(gòu)構(gòu)建。激光刻蝕[5]作為構(gòu)建表面微織構(gòu)的一種方法,具有簡單、高效、適用于金屬的加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于金屬表面改性。應(yīng)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(guān)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(guī)律、激光成型機(jī)理等方面。如鄭卜祥[6]等人利用皮秒激光對(duì)鈦合金的燒蝕形貌、燒蝕閾值以及激光與靶材的作用機(jī)理進(jìn)行了研究。Peng Edwin[7]等人通過對(duì)激光通量以及累積脈沖數(shù)進(jìn)行組合,總結(jié)了Ti表面丘狀結(jié)構(gòu)以及表面組織形貌的成型規(guī)律。液滴撞擊是一種工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用中普遍存在的現(xiàn)象,涉及氣、液、固的多相耦合過程。超疏水微織構(gòu)表面由于其具有好的疏水性,液滴滾落過程中會(huì)促進(jìn)表面清潔性、抑霜性、等。因此液滴撞擊特性研究對(duì)工業(yè)技術(shù)中有重要的指導(dǎo)作用。如Yuan Zhicheng[8]等人通過數(shù)值模擬研究了具有潤濕性梯度表面的溝槽寬度對(duì)液滴操控的影響。Songtao Hu[9]等人利用飛秒激光在鋼表面構(gòu)造三層分級(jí)表面來實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的分裂和旋轉(zhuǎn)操控。

本文通過改變激光的掃描速度,對(duì)四組疏水性能不同的激光刻蝕鈦合金微織構(gòu)表面的元素含量及潤濕特性進(jìn)行對(duì)比,并記錄不同表面的液滴撞擊動(dòng)態(tài)行為過程。分析了掃描速度對(duì)表面形貌、表面疏水性、液滴撞擊特性的影響規(guī)律,詳細(xì)論述了表面疏水性和動(dòng)力學(xué)行為影響機(jī)制,期望為鈦合金疏水功能性表面構(gòu)建與工業(yè)應(yīng)用提供參考。

2 材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)將基材切割成15 mm×15 mm×5 mm大小的試件。

2)使用全自動(dòng)磨拋機(jī)(DCZ-100型)對(duì)試件進(jìn)行打磨,得到粗糙度Sa小于0.53 μm的光滑表面。

3)對(duì)試件表面進(jìn)行清洗,烘干后用靜電膠封存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用多參數(shù)可調(diào)節(jié)的杰普特YDFLP-C-20-M7-S-X型納秒激光器對(duì)試件表面進(jìn)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(yù)制測(cè)試實(shí)驗(yàn),確定可形成較佳鈦合金燒蝕表面的激光參數(shù)范圍,最終確定如下激光加工參數(shù):脈沖寬度150 ns,重復(fù)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(shè)計(jì)表面刻蝕紋理為“井”字型結(jié)構(gòu)。

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(cè)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(cè)量表面粗糙度。利用接觸角測(cè)量儀(JC2000D4M型,中晨)對(duì)黑暗中存儲(chǔ)一個(gè)月的試件表面的接觸角、滾動(dòng)角及遲滯角進(jìn)行測(cè)試,為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確性,每項(xiàng)測(cè)試均重復(fù)5次,取平均值。利用高速攝像機(jī)(5KF20,千眼狼)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄液滴撞擊表面的動(dòng)態(tài)行為過程,設(shè)定高速攝像機(jī)幀率為3000 FPS,曝光時(shí)間設(shè)定為300 μs,環(huán)境溫度保持在20 ℃?？諝獾南鄬?duì)濕度維持在47.5±0.5 %。實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(dāng)掃描速度為100 mm·s-1時(shí),表面未呈現(xiàn)出規(guī)整的“井”字棱格狀特征,表面出現(xiàn)大量微米級(jí)凸起以及孔洞,大凸起分布稀疏。用Sa來表征區(qū)域輪廓的粗糙程度,掃描速度為100 mm·s-1工況下表面的區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差Sa為9.04。由圖1(b1)、(b2),當(dāng)掃描速度為150 mm·s-1時(shí),凸起發(fā)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(qū)域形貌的算數(shù)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(dāng)掃描速度增大到200 mm·s-1時(shí),表面凸起變短變窄,但凸起分布仍較密集,也顯現(xiàn)出明顯的棱格狀特征。此時(shí)表面的區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差Sa為16.1。由圖1(d1)、(d2),當(dāng)掃描速度逐漸增大為250 mm·s-1時(shí),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(jié)構(gòu);此時(shí)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(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于激光直接作用的區(qū)域溫度較高,該區(qū)域的材料在加工時(shí)會(huì)被熔化、汽化。掃描速度較低時(shí),由于表面比能大、熔融范圍大,在局部高溫環(huán)境下大量液態(tài)金屬回流造成燒蝕部位被回填,因而表面粗糙度小。當(dāng)掃描速度達(dá)到250 mm·s-1時(shí),由于激光的光斑移動(dòng)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(duì)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(fā)生劇烈氧化。對(duì)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(xiàn)出的規(guī)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(qiáng)的極性,能吸附空氣中的水蒸氣、含碳有機(jī)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(duì)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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)角與遲滯角的變化呈恰好相反的規(guī)律。在掃描速度為200 mm·s-1的工況下靜態(tài)接觸角達(dá)到峰值為138.51°,滾動(dòng)角最小為8°,遲滯角僅為2.02°,表面已接近超疏水的狀態(tài),表面疏水性能達(dá)到最佳。結(jié)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(shí),表面的粗糙度較大,表面微織構(gòu)特征顯著。

圖3 不同表面的接觸角、滾動(dòng)角與遲滯角

表面微織構(gòu)的構(gòu)造有利于提升金屬表面疏水性,又由于表面含碳有機(jī)物的吸附使金屬表面的疏水性能進(jìn)一步增加。綜上,表面的疏水性變化受到表面微織構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)綜合影響。

3.3 液滴撞擊特性

圖4為液滴撞擊微織構(gòu)表面動(dòng)力學(xué)行為演變過程。在圖4(a)中,各個(gè)表面上水滴的形態(tài)沒有明顯的差異,均呈現(xiàn)“扎釘效應(yīng)”。水滴撞擊行為均可分為四個(gè)階段,接觸、壓縮、鋪展至未完全回彈。定義鋪展系數(shù)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(shù)βmax為液滴鋪展至最大時(shí)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(gòu)表面動(dòng)力學(xué)行為演變

鋪展系數(shù)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(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。

結(jié)合不同表面的接觸角變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢(shì)相同,說明最大鋪展系數(shù)與表面的疏水性相關(guān),最大擴(kuò)散直徑會(huì)隨著接觸角的增大而增加。這是由于水滴撞擊微織構(gòu)表面時(shí)具有一定的速度,因此向下沖擊時(shí)會(huì)有部分水浸入表面,水滴發(fā)生向Wenzel浸潤狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)水滴撞擊疏水性好的表面時(shí),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(kuò)展時(shí)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(jìn)一步減小表面的黏性耗散,使得液滴擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,最終使疏水性好的表面液滴的鋪展系數(shù)變大。

4 結(jié) 論

本文主要通過改變激光加工工藝參數(shù)掃描速度獲得疏水性能不同的TC4激光刻蝕表面,并通過探究不同表面的疏水性及液滴撞擊特性得出以下結(jié)論。

(1)表面疏水性隨著激光掃描速度的增大呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),在掃描速度為200 mm·s-1的工況下,表面的靜態(tài)接觸角為138.51°,滾動(dòng)角為8°,遲滯角僅為2.02°,表面已接近超疏水狀態(tài),表面的疏水性能最佳。

(2)結(jié)合分析不同表面微觀形貌和元素含量占比,表面疏水性由表面化學(xué)性能和表面微織構(gòu)形貌協(xié)同影響。

(3)液滴撞擊最大鋪展系數(shù)與表面的疏水性呈正相關(guān),疏水性好的表面由于小的黏性耗散和空氣提升作用,使液滴擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,鋪展系數(shù)變大。