ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СПАДКОВОСТІ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ ТИТАНУ ПІД ЧАС ДВОСТАДІЙНОГО ОБРОБЛЕННЯ МЕТОДАМИ ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРУВАННЯ ТА ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ТЕКСТУРУВАННЯ
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9965-2024-2(57)-67-77Ключові слова:
технологічний процес, титан, технологічна спадковість, фрезерування, лазерне оброблення, LIPSS, гідрофобність, контактний кут, змочуваність, мікротвердість, тертя, зношування, мікроструктуриАнотація
Титан та його сплави широко використовуються в сучасних технологіях завдяки їхнім унікальним фі-зико-механічним властивостям, таким як висока міцність, корозійна стійкість і біосумісність. В цьому випадку на перший план виходить проблема гідрофобності і гідрофільності оброблених поверхонь. У роботі проаналізовано технологічну спадковість і адсорбційні якості поверхонь титану після торцевого фрезерування та фемтосекундного лазерного оброблення. Досліджено зміну гідрофобних властивостей титанових поверхонь після фрезерування та подальшого фемтосекундного лазерного опромінення. Показано, що топографія поверхні після фрезерування може впливати на формування лазерно-індукованих періодичних структур на поверхні (LIPSS). Визначено, що для мінімізації впливу технологічної спадковості необхідно забезпечити достатню глибину лазерної абляції, що перевищує висоту мікронерівностей після фрезерування. Експериментально встановлено, що поверхня титану після вальцювання має середній кут змочування близько 81,65°, тоді як після фрезерування цей показник знижується до 66,35°. Проведений аналіз впливу лазерного опромінення різної інтенсивності на зміну гідрофобності поверхні титану. Виявлено, що при низькій інтенсивності лазерного впливу (2 мкДж) формування LIPSS структур не повністю усуває сліди механічної обробки, що підтверджує збереження технологічної спадковості. Зі збільшенням енергії імпульсів до 3,5 мкДж та більше поверхня стає більш однорідною, а вплив фрезерування на гідрофобні властивості поступово нівелюється. Визначено, що очищення поверхні титану спиртом тимчасово знижує гідрофобність, що вказує на присутність адсорбованих домішок, які можуть впливати на змочуваність. Розглянуто залежність між топографією поверхні після фрезерування, енергією лазерного опромінення та контактними кутами змочування. Отримані результати демонструють, що комбінація механічного фрезерування та фемтосекундного лазерного опромінення, тобто двостадійна технологія оброблення, дозволяє регулювати поверхневі властивості титану, зокрема його гідрофільність або гідрофобність. Це може бути використано в практичних застосуваннях, де контроль змочуваності титанових поверхонь є критично важливим, наприклад, у біомедичних імплантатах, аерокосмічній та електронній промисловості.
Завантаження
Посилання
Banerjee S., Mukherjee P. Titanium: Processing, Applications, and Properties. Cambridge University Press, 2020
Long M., Rack H. J. Titanium alloys in total joint replacement – A materials science perspective. Biomaterials. 1998. Vol. 19, No 18. P. 1621–1639. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(98)00034-0
Vorobyev A., Guo C. Direct femtosecond laser surface structuring of metals. Optics Express. 2005. Vol. 14, No 6. P. 2164–2169. https://doi.org/10.1364/OPEX.14.002164
Liu Y., Rajput S., et al. Hydrophobicity control of titanium surfaces using femtosecond laser pulses. Applied Surface Science. 2018. Vol. 435. P. 852–859. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.007
Jiang L., Zhao Y., Zhai J. A lotus-leaf-like superhydrophobic surface: A porous micro-?phere/nanofiber composite film prepared by electrohydrodynamics. Angewandte Chemie International Edition. 2004. Vol. 43, No 33. P. 4338–4341. https://doi.org/10.1002/anie.200460541
Lin X., Liang C., Li Y., Geng Y., Chen Z., Zhao Y., Chen X., Wu J., Wu S. Review: Laser shock processing technique on the additive manufactured metallic alloys. Journal of Laser Applications. 2024. Vol. 36, No 3. https://doi.org/10.2351/7.0001411
Demir A. G., Fortunato A., Zaeh M. F. Editorial. Lasers in Manufacturing and Materials Processing. 2024. Vol. 11, No 1. P. 1–2. https://doi.org/10.1007/s40516-024-00249-6
Wang X., Huang Y., Li C., Xu B. Numerical simulation and experimental study on picosecond laser ablation of stainless steel. Optics & Laser Technology. 2020. Vol. 127. art. no. 106150. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106150
Wang Y., Li H. Effect of Initial Surface Roughness on Laser-Induced Periodic Surface Structures Formation. Optics and Lasers in Engineering. 2023. Vol. 162. P. 107–115. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2023.107115
Savriama G. TUTORIAL: Two Temperature Model for Ultrashort Pulse Laser with COMSOL Multiphysics. 2021, July 9. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.24211.81449
Smith J.D., Brown A.L. Influence of Cutting Tool Geometry on Surface Roughness in Milling Processes. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021. Vol. 115, No. 3. P. 789–802.
Miller R.T., Johnson P.R. Optimization of Cutting Parameters to Minimize Surface Roughness in End Milling. J. Manuf. Process. 2020. Vol. 58. P. 615–623.
Bembenek M., Dzienniak D., Dzindziora A., Sułowski M., Ropyak L. Investigation of the Impact of Face Milling Parameters on the Roughness of the Machined Surface for 1.4301 Steel. Adv. Sci. Technol. Res. J. 2023. Vol. 17, No. 4. P. 299–312. https://doi.org/10.12913/22998624/170422
Davis L.E., Thompson S.M. The Impact of Vibrations on Surface Integrity during Milling Operations. Precis. Eng. 2022. Vol. 72. P. 456–467.
Kombarov V., Sorokin V., Tsegelnyk Y., Plankovskyy S., Aksonov Y., Fojtů O. Numerical Control of Machining Parts from Aluminum Alloys with Sticking Minimization. Int. J. Mecha-tron. Appl. Mech. 2021. Vol. 1, No. 9. P. 209–216. https://doi.org/10.17683/IJOMAM/ISSUE9.30
Wang X., Huang Y., Li C., Xu B. Numerical Simulation and Experimental Study on Picosecond Laser Ablation of Stainless Steel. Optics & Laser Technology. 2020. Vol. 127. art. no. 106150. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106150
Wang Y., Li H. Effect of Initial Surface Roughness on Laser-Induced Periodic Surface Structures Formation. Opt. Lasers Eng. 2023. Vol. 162. P. 107–115.
Bonse J., Koter R., Hartelt M., Spaltmann D., Pentzien S., Höhm S., Rosenfeld A.B., Krüger J.K. Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures on Steel and Titanium Alloy for Tribological Applications. 2014. Vol. 117, No. 1. P. 103–110. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8229-2
Miyagawa R., Kamibayashi D., Nakamura H., Hashida M., Zen H., Somekawa T., Matsuoka T., Ogura H., Sagae D., Seto Y., Shobu T., Tominaga A., Eryu O., Ozaki N. Crystallinity in Periodic Nanostructure Surface on Si Substrates Induced by Near- and Mid-Infrared Femtosecond Laser Irradiation. Sci. Rep. 2022. Vol. 12, No. 1. https://doi.org/10.1038/s41598-022-25365-1
Kristensen A., Yang J.K.W., Bozhevolnyi S.I., Link S., Nordlander P., Halas N.J., Mortensen N.A. Plasmonic Colour Generation. Nat. Rev. Mater. 2016. Vol. 2, No. 1. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.88
Abellán-Nebot J.V., Vila Pastor C., Siller H.R. A Review of the Factors Influencing Surface Roughness in Machining and Their Impact on Sustainability. Sustainability. 2024. Vol. 16, No. 5. art. no. 1917. https://doi.org/10.3390/su16051917
Zawadzki P., Dobrotvorskiy S., Aleksenko B., Talar R. Effect of Nano-Second Laser Texturization on Tribological Behavior of AISI 321 Stainless Steel. Materials. 2024. Vol. 17, No. 23. art. no. 5870. https://doi.org/10.3390/ma17235870
Martínez E., Lejeune N., Frechilla J., Porta-Velilla L., Fourneau E., Angurel L.A., de F., Bonse J., Silhanek A.V., Badía-Majós A. Laser Engineered Architectures for Magnetic Flux Manipulation on Superconducting Nb Thin Films. Appl. Surf. Sci. 2024. art. no. 161214. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161214
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторські права....
1.png)
1.png){kind=logo}
