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

(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)

引 言

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。

1 表面润湿性基本理论

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:

γLVcosθ=γSV-γSL

(1)

Fig.1 Schematic diagram of contact angle

式中,γSV,γSL和γLV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]。

2 实验条件与方法

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

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

(2)

如图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。

Fig.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

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。

3 结果与讨论

3.1 脉冲能量对烧蚀坑形貌的影响

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。

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

如图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D和H增大。当脉冲能量增加到一定值时，D和H的增加速度就会逐渐减慢，特别是在脉冲能量相对较高时，D和H的大小会逐渐呈现饱和趋势。

Fig.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:

(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。

3.2 脉冲能量和扫描间距对表面形貌的影响

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和图5b、图5e和图5f、图5i和图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。

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。

Fig.5 3-D morphology of the substrate surface after laser processinga～d—dot matrix e～h—linear matrix i～l—grid

图6中绘制出了Sa和Sd与δ和η的关系。由图6a可知，对于点阵结构，η=10%时，Sa随δ的增加而增大，在δ=30%时Sa有极大值；η=30%,60%或100%时，Sa随δ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6c和6e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和图6f可知，对于线阵或网格结构，η=10%时，Sd随δ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，Sd随δ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Sa或Sd均有所影响，且网格结构对表面形貌参量Sa或Sd的影响程度最大，线阵结构次之，点阵结构最小。

Fig.6 Relationship of Sa, Sd, δ and ηa,d—dot matrix b,e—linear matrix c,f—grid

3.3 脉冲能量和扫描间距对表面润湿性的影响

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δ和η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。

Fig.7 Relationship between contact angle and δ and ηa—dot matrix b—linear matrix c—grid

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。

Fig.8 Surface contact anglea—dot matrix b—linear matrix c—grid

4 结 论

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Sa和Sd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Sa和Sd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。