超快激光制备水面减阻微纳结构及其耐蚀性研究 
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1 引言
水面减阻对舰艇、船舶、流体输运等具有重要意义[1]。水面减阻技术的研究始于20世纪30年代,至今已发展出多种仿生减阻结构[2-8]。其中,仿鲨鱼皮微沟槽结构的减阻效果明显,且制备简单,是目前的研究热点之一[9-17]。已有研究表明,深度在20~120 μm范围内的几何沟槽微结构具有优异的减阻效果[10-14]。
目前,研究人员已制备出与真实鲨鱼皮一样的沟槽结构表面,如:Zhang等[15-16]直接以真实鲨鱼皮为模板,用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚丙烯酰胺复制出了沟槽结构表面,该表面可以获得12%的水面减阻效果;Bixler等[17]使用聚氨酯聚合物复制出深度为10~20 μm的表面沟槽,使水流压降减小了19%,并进一步证实了沟槽表面覆盖有ϕ50 nm左右的纳米颗粒时可以使压降减小到29%。此外,还有研究人员将鲨鱼皮表面的突起抽象成简单的几何图形,制备了具有这种几何图形结构的表面,并对该表面的减阻效果进行了研究。Hirt等[18]使用微轧制方法在铝表面制备出深度在100 μm以下的三角形和半圆形沟槽结构,并认为其在最理想情况下可以降低10%的壁面摩擦;Denkena等[13]通过微磨削方法制备得到了深度为20~120 μm的微梯形沟槽结构表面,该表面最高可以实现4%的油下减阻效果。另外,用光刻方法可以制备精确、微小的沟槽,但制备过程复杂且成本很高[19];用化学刻蚀的方法也可制备微沟槽,但反应复杂且受到反应的限制[20]。因此,微沟槽结构表面的准确、高效制备还面临一定挑战,尤其是不同使用环境所需的不同尺寸的微沟槽结构的灵活制备及其减阻效果等有待进一步研究。
近年来,激光表面烧蚀方法以其简单高效、绿色环保的特点得到了越来越多的研究[21-24],采用激光制备的表面沟槽结构具有形貌精度相对较高和尺寸调节容易等特点,而且制备工艺简单,有利于实现批量制备。Bixler等[21]利用激光雕刻机在聚丙烯酸表面制备了三角形微沟槽结构,该结构实现了19%的压降减小效果;他们还发现,表面具有纳米颗粒结构的三角形微沟槽可以使两端水流的压降减小提高到34%。超快激光能够有效制备出各种微米级结构,并能诱导出纳米结构,在减阻微沟槽结构的制备与研究方面具有明显优势。
本文采用超快激光在6061铝合金表面实现了特定形状和尺寸的微沟槽的制备,并以微U形沟槽结构为对象,利用自行搭建的实验装置,通过水面移动的简单方法测试了两种微U形沟槽结构的减阻效果。一般情况下,水面减阻结构普遍面临长时间工作时的腐蚀问题,但已有文献很少涉及这方面的研究。为此,本文专门开展了微沟槽减阻结构的耐蚀性研究,利用动电位极化曲线法和形貌法研究了超快激光制备的微沟槽结构表面的耐蚀性,为今后超快激光制备水面减阻耐腐蚀沟槽结构表面的应用提供了参考。
2 实验方法
6061铝合金被广泛用于汽车轮毂及舰艇上。本文以市面上常见的未经表面处理的轧制态6061铝合金(购于深圳市瑞弘佳金属材料有限公司)为对象(具体成分如
表 2. 飞秒激光制备减阻微U形沟槽结构的主要工艺参数
Table 2. Main processing parameters of the ultrafast laser to produce drag reduction micro-U-shaped groove structure
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表 1. 6061铝合金的化学成分
Table 1. Chemical composition of 6061 aluminum alloy
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TruMicro 5000高功率飞秒激光器的脉冲宽度为800 fs,激光中心波长为1030 nm,激光工作距离约为1000 mm,重复频率为400 kHz,焦斑直径约为38 μm。激光加工装置图和示意图如
图 1. 飞秒激光制备沟槽结构的加工装置图与示意图。(a)加工装置图;(b)示意图
Fig. 1. Processing system and schematic diagram of groove structure fabrication by femtosecond laser. (a) Processing system figure; (b) diagram
采用不同的飞秒激光参数在6061铝合金表面加工沟槽(激光参数如
在减阻测试中,借鉴Yin等[25]的测试方法,将表面尺寸均为30 mm×40 mm的未经处理的铝合金和两种微U形沟槽结构铝合金制成相同的“圆形船”,测量其在相同初始推力下从长为370 mm水槽的一端运动到另一端所需的时间,从而间接验证其减阻效果。
在耐蚀性测试中,将相同面积的未经处理的铝合金和两种微U形沟槽结构铝合金浸入pH为7的NaCl溶液(NaCl的质量分数为3.5%)中,用CHI760E电化学工作站测试其电化学腐蚀性能,电极工作面积为10 mm×10 mm,扫描电压范围为-1.3~-0.6 V(vs. Ag/AgCl),扫描速率为5 mV·s-1。此外,观察不同腐蚀时间下三种铝合金的表面形貌,定性比较它们的耐蚀性。
对制备的微沟槽表面进行低自由能氟化改性,使其呈现超疏水特性(水滴接触角>150°、滚动角<10°),然后同样采用动电位极化曲线测量和形貌观察法对超疏水减阻表面进行耐蚀性测试。
3 结果与讨论
3.1 超快激光制备微沟槽结构
调节超快激光的功率、扫描速率和重复次数制备微沟槽结构,沟槽深度与激光参数的关系如
利用以上研究结果,参考Bechert等[12]和Denkena等[13]的相关讨论,对飞秒激光加工功率、扫描光斑横向间隔和扫描速率进行优化。飞秒激光光束的能量呈高斯分布,可以快速制备出两种不同尺寸的微U形沟槽结构。采用3D共聚焦显微镜测得了微U形沟槽结构的截面轮廓,如
进一步调控激光功率和扫描路径(扫描间距为60 μm),也可以方便地制备出三角形和长方形截面沟槽结构,如
图 2. 激光参数对微U型沟槽深度的影响以及超快激光制备得到的几种微沟槽结构的截面轮廓与形貌。(a1)激光功率对微U型沟槽深度的影响;(a2)扫描速率对微U型沟槽深度的影响;(a3)重复次数对微U型沟槽深度的影响;(b1)(b2)(c1)(c2)两种微U形沟槽的截面轮廓与形貌;(d1)(d2)微三角形沟槽的截面轮廓与形貌;(e1)(e2)微矩形沟槽的截面轮廓与形貌
Fig. 2. Influences of laser parameters on micro-U-shaped groove depth and cross-section profiles and morphologies of various microgroove structures fabricated by the ultrafast laser. (a1) Influence of laser power on micro-U-shaped groove depth; (a2) influence of scanning speed on micro-U-shaped groove depth; (a3) repetition time on on micro-U-shaped groove depth; (b1)(b2)(c1)(c2) cross-section profiles and morphologies of two kinds of micro-U-shaped grooves; (d1)(d2) cross-section profile and morphology
采用扫描电镜观察两种不同尺寸的微U形沟槽结构,结果如
图 3. 两种微U形沟槽结构的微观形貌
Fig. 3. Micro-morphology of two kinds of micro-U-shaped groove structures
3.2 减阻性能测试
以U1和U2微沟槽结构为对象,采用水面移动法进行减阻性能测试,重复测试30次,去除用时最长和最短的各5次测试之后取平均值,结果如
图 4. 减阻测试结果。(a)测试过程;(b)“圆形船”的运动时间;(c)平均运动时间
Fig. 4. Results of drag reduction test. (a) Test procedure; (b) motion time of “round boat”; (c) average motion time
在测试过程中,“圆形船”在0.36 N初始推力(fEF)和0.36 N水面阻力(fRF)的共同作用下,从水槽的一端经历一个加速再减速的过程(相应沟槽结构的表面雷诺数也经历一个从大到小的过程),运动到水槽的另一端。对于不同的雷诺数,沟槽的减阻机理类似[29],“圆形船”的运动时间反映了整个运动过程(高速到低速,雷诺数从大到小)中微U形沟槽结构的整体减阻效果。
以下从沟槽减阻的“黏性”理论[12,30]进行分析。沟槽深度h和间距s为沟槽减阻的关键参数。定义无量纲壁面单元,即
式中:v为流体的运动学黏性系数;u*为壁面摩擦速度;τ0为壁面的切应力;ρ为流体的密度。
Luchini等[30]和Bechert等[12]发现在低雷诺数情况下,当s+很小时,壁面减阻率为
式中:k为比例常数;Δτ为壁面切应力之差;Δh为沟槽表面纵向流突出高度和横向流突出高度之差。
对于本文制备的微U形沟槽U1和U2,其h/s分别为0.7和0.5。根据Bechert等[12]的研究结果,在本实验条件下,
许多研究表明[9-14]:在确定的水流条件下,不同形状、尺寸的沟槽结构具有不同的减阻效果;对于确定的沟槽形状和尺寸,不同水流条件下的减阻效果也不相同,存在一个减阻率最大的s+。同时,沟槽结构的浸湿面积和形貌规整度也对沟槽的减阻效果具有一定影响。在进行沟槽结构的实际制备时,需要根据使用条件,采用仿真计算确定减阻率最大的沟槽形状和尺寸,并通过调整超快激光加工参数进行灵活制备。
3.3 耐蚀性测试
用动电位极化曲线法和形貌法对超快激光制备的样品U1和U2的表面进行耐蚀性测试,并将其与未经处理的铝合金表面进行比较。
动电位极化曲线测试结果如
表 3. 动电位极化曲线法拟合的腐蚀参数
Table 3. Fitted corrosion resistance parameters from potentiodynamic polarization curve test
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图 6. 形貌法腐蚀测试。(a)三种铝合金浸泡不同时间后的形貌:(a1)(a2)(a3) 0 h;(a4)(a5)(a6) 96 h;(a7)(a8)(a9) 192 h。(b)铝合金浸泡192 h后的三维微观形貌:(b1) U1;(b2) U2;(b3)超疏水U1;(b4)超疏水U2。(c)接触角测试结果:(c1)未加工铝合金;(c2) U1;(c3) U2;(c4)超疏水U1;(c5)超疏水U2
Fig. 6. Corrosion resistance test using morphology. (a) Morphology of three kinds of aluminum alloys after immersing in salt solution for different time: (a1)(a2)(a3) 0 h; (a4)(a5)(a6) 96 h; (a7)(a8)(a9) 192 h. (b) Micro morphology of three kinds of aluminum alloys after immersing in salt solution for 192 h: (b1) U1 structure; (b2) U2 structure; (b3) superhydrophobic U1 structure; (b4) superhydrophobic U2 structure. (c) Contact angle test: (c1) pristine alumin
表面耐蚀性的降低会显著缩短减阻结构的使用寿命。为提高超快激光制备减阻微纳结构的可行性,必须增强结构表面的耐蚀性。针对制备过程中不可避免形成的粗糙微结构,考虑构建超疏水表面以提高耐蚀性[32-35]。通过氟化处理形成了超疏水表面,如
氟化改性在微纳结构表面自组装交联单分子层氟化膜[36-37],增强了表面的耐蚀性,同时微沟槽表面形貌和影响减阻性能的关键参数没有明显变化。实验中的铝合金未经表面处理,而在实际的工业应用中,铝合金需要经过一些必要的表面处理工艺,如阳极氧化、化学氧化、微弧氧化等[38],以增强其耐蚀性与耐磨性。
根据本文结果,在沟槽结构减阻的实际应用中,可以结合现有的表面处理工艺,在保证减阻关键参数的情况下,用表面处理代替氟化处理,强化沟槽结构的耐磨性与耐蚀性。或者可以进一步结合氟化处理,实现沟槽结构与超疏水表面的联合减阻作用[39]。这也是后续值得进一步研究的方向。
4 结论
超快激光可以方便地制备出多种微沟槽结构,沟槽深度可通过激光功率、扫描速率和重复次数等参数进行调控。超快激光制备的微沟槽结构表面含有大量的纳米颗粒,这些纳米颗粒由超短脉冲诱导产生。
减阻测试结果表明,微沟槽结构表面具有一定的减阻效果,周期宽度分别为28 μm和50 μm、深度分别为20 μm和25 μm的两种U形沟槽结构铝合金表面相比未经处理表面的运动时间分别缩短了4.3%和11.6%。
周期宽度分别为28 μm和50 μm、深度分别为20 μm和25 μm的两种微U形沟槽结构表面相对未经处理表面在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率分别增加了162%和74%。表面氟化改性后的两种超疏水微U形沟槽结构的表面腐蚀速率较超疏水处理前分别降低了87%和73%,较未经处理铝合金表面分别降低66%和53%,成为完全耐腐蚀的铝合金。
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江国琛, 潘瑞, 陈昶昊, 胡昕宇, 张红军, 钟敏霖. 超快激光制备水面减阻微纳结构及其耐蚀性研究[J]. 中国激光, 2020, 47(8): 0802005. Jiang Guochen, Pan Rui, Chen Changhao, Hu Xinyu, Zhang Hongjun, Zhong Minlin. Ultrafast Laser Fabricated Drag Reduction Micro-nano Structures and Their Corrosion Resistance[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(8): 0802005.
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