脉冲光纤激光制备聚晶金刚石疏液表面的研究
崔 炜 郝秀清 陈馨雯 肖思浓 李 亮
: ( PCD) , 、、
摘要 针对聚晶金刚石 表面 提出了一种经济 高效 可控制备多种微观结构的激光加工方
, , . PCD
法 与低表面能处理技术相结合 可实现对表面特性的有效调控 利用激光表面织构化方法在 表
,面制备出含有沟槽和锥形凸起的微纳结构 并分析了单脉冲能量和扫描速度对微观结构形貌和特征尺
; PCD , PCD
寸参数的影响 将激光织构化的 表面进行氟化处理 分析 表面微观结构对疏水和疏油性的影
. : , 、响规律 结果表明 随着单脉冲能量的增加或扫描速度的降低 沟槽深度 山脊间距和表面粗糙度随之
; , PCD ９３°~１４９° １０２°~１３４° ,
增大 低表面能处理后 表面与水和乳化剂的接触角分别在 和 范围内变化 由
PCD . , PCD ,
此可实现对 表面不同润湿性的控制 另外 分析了 表面微观结构的形成机理 并探讨了微观.结构参数对疏水疏油性能的影响规律: ; ; ;关键词 脉冲光纤激光 聚晶金刚石 表面微观结构 疏液性
:TN２４９中图分类号
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００４ １３２X．２０１９．０１．００５
( ) ( OSID):
开放科学 资源服务 标识码
, ,２１００１６
南京航空航天大学机电学院 南京
是指通过在材料表面加工出各种形状的纹理以改
, [１４]、 [１５]
变表面特性 在密封环 发动机气缸衬套 和
[１６Ｇ１７] .
刀具 等方面均有应用
, [１８Ｇ１９]在表面织构的制备方法中 激光加工 因
、 、
加工效率高 控制精度高 成本低以及无污染等优
. [２０]
点而应用最为广泛 泮怀海等 利用飞秒激光
/ ,在钛合金表面制备出微 纳米结构 结合超声波对
,
低表面能材料的影响 在钛合金表面实现了超疏
, ,
水性 结果表明 激光能量对疏水性能起到了重要
, , .BIＧ的作用 随着激光能量的增大 疏水性增大ZIＧBANDOKIA [２１]
等 通过激光在样品表面制备
, AISI３１６L出微米和纳米级的波纹结构 实现了
TiＧ６AlＧ４V
不锈钢和 表面从亲水性到疏水性的转
, , .变 结果表明 当激光脉冲数增加时接触角增大
,
除了飞秒激光外 纳秒激光也可以构建微尺度结
.JAGDHEESH [２２]构来实现表面疏水性 等 利用脉冲纳秒激光器在金属铝表面上制备出微孔结
, ,
构 使得表面呈现出疏水性能 金属表面与水的最
１４８±３°, ,
大接触角达到 研究表明 与氧含量的影
, .响相比 表面的形貌是疏水程度的关键因素 王
[２３] ,
增勇 将激光加工和溶胶凝胶法结合 在铝合金
,
表面制备出双疏表面 对水和油的接触角分别为１５９．９° １４２°, , ,
和 分析表明 相比于单一结构 微纳
. ,二级结构的样品疏水性能更佳 由此 激光制备
,
疏液表面过程中 表面微观结构成为控制表面润
.
湿性能的重要途径人造金刚石在切削和电化学等众多领域应用, :
广泛 但存在以下问题 切削时金刚石刀具快速磨
、 .
损 电解中金刚石电极电流效率有待提高等 表
、 、
面织构技术的减摩 抗腐蚀 改变润湿性的作用已
,,经在众多表面上得到证明 因此 已有学者将表面
.EDUARDO [２４]织构技术应用到金刚石表面 等在掺硼金刚石电极表面利用激光制备出纳米结
, ,
构 发现其表面面积和润湿性得到了提高 从而提
、 .KAＧ高了电解中的电流效率 降低了能量消耗WASEGI
等 在金刚石刀具表面制备出微纳米, , 、
级织构 通过切削铝合金发现 切削力 摩擦因数
. PCD得到了降低 马小林 利用激光在 刀具前
,
刀面加工出微沟槽 并在切削液润滑的条件下进
, , 、行铝合金切削试验 结果表明 切削力 切削温度
, ,
降低 刀具寿命增加 并且工件表面粗糙度得到了
.SU PCD
降低 等 利用激光加工在 材料表面
,
制备出微沟槽和微圆坑 并且研究了激光加工参
. ,数对尺寸和形貌的影响 综上所述 织构化处理
,的金刚石电极或刀具的性能得到了提高 同时可
.发现表面微观结构对润湿性能也有重要的影响
本文通过激光加工方法与低表面能处理技术
, 、 PCD ;相结合 制备出疏水 疏乳化液的 表面 研究了激光单脉冲能量和激光扫描速度等激光加工参
PCD ,
数对 表面形貌的影响 讨论了形貌形成机
; PCD
理 通过对 表面的形貌分析和对化学成分的
,
能谱分析 探究了表面形貌和化学成分与表面双
.
疏性能的关系
实验
材料
PCD(CTB０１０) .本文选取 作为实验材料 材
１.
料的化学成分和性能见表 试样的尺寸为１０mm×１０ mm×０．５ mm.PCD
材料以硬质合, ５mm. ,金为基底 厚约 在激光加工前 分别在酒
１０ min ,精和丙酮中进行约 的超声波清洗 去除样
.
品表面杂质
激光织构
２０ W、本文采用的激光器是最大功率为 波长１０６４nm、 １００ns、
为 脉宽为 最大重复频率为２００kHz IPG(YLPＧ１/１００/
的脉冲光纤激光器
２０). 、
通过光束扩展器 扫描振镜和透镜等对激光
, ,束进行控制 激光束截面光强呈高斯分布 光斑直
６０μm.
径为 扫描镜头的名义焦距和最大扫描范
２１０mm １５０mm×１５０mm.围分别为 和
PCD ５ mm×整个 表面激光织构范围是
５mm. １ ,
激光路径如图 所示 由计算机控制激光
５mm,
束在X方向上移动 而后续的激光束与上
.一条激光路径在Y方向上相距一定间距P 纳
PCD ,秒激光的热作用会使 表面石墨化 而石墨化
.WU程度与激光加工参数密切相关 等 分析了纳秒激光加工聚晶金刚石中各因素对石墨化的
, : ５~２０μm ,影响 结果发现 石墨化深度在 范围内
,并且X向扫描重复率对石墨化的影响最大 从８５％ ９５％, ,
提高到 石墨层深度被减小 因为在较
, ;高的重复率下 更多的材料被去除而不是石墨化
１０％ ５０％ ,
Y向扫描重复率从 升高到 时 石墨化程
; ,度也大大降低 脉冲能量对石墨化影响程度最小
, .随着脉冲能量的变化 石墨层深度基本不变 本
,
文为减小石墨化的影响采用X向扫描重复率９５％ 、 ５０％ ( ＝以上 Y向重复率为 即间距P
３１
３０μm) . 、
的方式进行激光扫描 激光单脉冲能量激光扫描速度和加工次数等激光加工参数见
２.
表
氟化处理
,
在氟化处理前 所有激光织构化处理后的样
,
品均用砂纸研磨 然后依次放置于酒精和丙酮中
. ,
超声清洗 待样品干燥后 将其浸没于质量分数
０．８％ (
为 的氟硅烷溶液 溶质和溶剂分别为思康公
F９１ F８０６３ )
司生产的 氟化剂和 溶液 中浸泡２４h, １４０° ２h,再放置于干燥箱进行 固化处理 以
.
降低表面能
表征和测量方法
(SEM,通过配有能谱仪的扫描电子显微镜
S４８００) PCD .对 表面的形貌和化学成分进行分析
(KeyenceCorporaＧ通过激光扫描共聚焦显微镜tion,vkＧx２００)
对激光织构样品的微结构进行测. , ,
量 此外 使用液滴法 在室温下通过接触角测角
(Dataphysics OCA２０) ,
仪 测量静态接触角 以研
. ５μL dxＧ２究表面润湿性 测试液体为 蒸馏水与
.
水基乳化液
结果和讨论
激光织构
表面的形貌分析
为了研究激光扫描速度和激光单脉冲能量对PCD , PCD表面形貌的影响 选取了两组 表面形貌
.２ ＝ ０．２０mJ进行对比分析 图 为单脉冲能量E 时４ PCD
种不同激光扫描速度下制备的 表面的SEM .PCD ,
图 表面经过激光织构化后 形成了
, .沟槽结构 并且沟槽上分布着一些锥形凸起 当 ３２
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月
＝ １０ mm/s( ２a) ,激光扫描速度v 图 时 微沟槽的
, ８０ mm/s形貌最明显而当激光扫描速度达到
( ２d) . ２
图 时几乎无法观察到沟槽结构 从图 中
,
还可以看出 在微沟槽和锥形凸起表面覆盖了一
.层白色的重凝层和斑点状的凝结蒸汽 特别是激
１０ mm/s ８０ mm/s ,光扫描速度从 提高到 时重
,凝层和凝结蒸汽越来越少 这表明激光扫描速度的增加会导致激光扫描过程中熔化和气化量
.
减少
３ ＝ １０ mm/s ,４
图为v 时 种不同单脉冲能
PCD SEM .
量下制备的 表面的 图 单脉冲能量为０．２mJ ( ３a), ,时图 已经形成清晰的沟槽结构 但
. ０．２５ mJ几乎没有锥形凸起形成 单脉冲能量为
( ３b) ０．３０mJ( ３c) , ,图和 图 时 出现较多锥形凸起
,而且出现了更多的亮白点 表明随着激光脉冲能
, ,
量的增加 越来越多的熔化和气化发生 而且在微
, ３e沟槽和锥形凸起上形成了局部纳米结构 如图
. ０．３５ mJ( ３d) ,所示 当单脉冲能量达到了 图 时
, 、 ,沟槽明显变宽 重凝层 凝结蒸汽明显增多 这说
、 .明此时材料的抛蚀 熔化气化反应最剧烈
PCD由激光共聚焦显微镜测量的激光织构
４. ４ ,表面形貌见图 从图 中可以看出 激光织构PCD ３０μm,表面山脊的周期约为 这可能归因于
３０μm.激光扫描路径间距为 激光共聚焦显微镜
、 ５ ６测量的沟槽深度d 山脊间距s分别如图 和图
. ５ ６ ,
所示 从图 和图 中可以看出 单脉冲能量和激光扫描速度对微沟槽深度和山脊间距有较大的
. ,
影响 当激光扫描速度不变时 随着激光脉冲能
０．２０ mJ ０．３５ mJ,
量从 增大到 微沟槽深度相应增
. ,
大 当单脉冲能量一定时 随着激光扫描速度从１０mm/s ８０ mm/s,
增大到 微沟槽的深度却逐渐
图４ 激光织构PCD表面激光共聚焦显微镜图像( E ＝ ０．２mJ, v ＝ １０mm/s)
Fig．４ Typicalconfocallaserscanningmicroscope
imagesforPCD( E ＝ ０．２ mJ, v ＝ １０ mm/s)
. ５．１２０μm,
减小 沟槽深度最小值为 最大值为２７．３２２μm.
随着激光脉冲能量的增加或激光扫, .描速度的降低 山脊的间距逐渐减小 当单脉冲
０．３５mJ、 １０mm/s ,能量为 激光扫描速度为 时山
１８．２１１μm,脊间距达到最大值 而当单脉冲能量
０．２mJ、 ８０ mm/s ,
为 激光扫描速度为 时 山脊间
１０．１４４μm.
距达到最小值 激光共聚焦显微镜测
７. ７,量的织构表面粗糙度Ra见图 在图 中 随着
,激光脉冲能量的增大或激光扫描速度的降低 表
, １．１２１~面粗糙度呈递增的趋势 粗糙度Ra值在８．９８９μm .
内变化 ２．２ PCD
表面微观结构形成机理分析PCD ,材料吸收激光辐照区域的能量 能量转, ,化为热量 因为热量在极短的时间内积聚 所以材
,, .料迅速发生氧化 相变 并开始熔化 随着温度继
,PCD
续升高 材料以蒸发和喷射的方式去除材
,８ . ,
料 如图 所示 由于快速冷却 喷出的物质被重
PCD , PCD
新固化在 表面 因此在 表面形成了重
. PCD凝层和蒸汽的凝结 激光织构 材料的形貌
、
与激光辐射的能量分布 光斑重复率和单脉冲能
.
量密切相关
( ９),
激光能量强度是高斯分布 图 可以描述为
２ ２
r２ f()＝ exp(－ ) r π ２ r ２ r ０ ０
, ; .
式中r０ 为光斑半径r为光斑内任一点与圆心距离
,由于激光照射的中心区域的能量相对较高
, ,材料吸收的热量也更多 蒸发更剧烈 剧烈的蒸发
３３