CN110614441A - 一种金属表面流体减阻环形结构的激光精细加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用脉冲激光在金属表面精细加工周期性环形微凹槽结构实现流体减阻的方法，利用脉冲激光在金属表面加工沿圆环径向周期性分布的微凹槽结构，使材料表面在剪切速率为1～100s‑1范围内对流体的阻力最大降低50％以上，在流体机械与器件等应用领域展现出较好的应用前景。本发明利用脉冲激光在金属材料表面加工周期性微凹槽结构降低表面流体阻力的方法按以下步骤实现：一、对材料表面进行抛光、清洗和干燥处理；二、设计激光工艺参数和光束扫描路径，利用脉冲激光精细加工工艺在材料表面加工出微凹槽结构；三、对激光加工后的材料表面进行清洗和干燥处理，实现材料表面减阻性能。

Description

一种金属表面流体减阻环形结构的激光精细加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工流体减阻微结构技术领域，特别是涉及一种利用激光在金属材料表面加工微结构降低流体阻力的方法。
研究背景
表面流体减阻研究对于减少流体机械、船舶、管道及潜艇等水下航行器表面摩擦阻力，实现节能降耗具有非常重要的意义。目前，减少材料表面流体阻力的方法主要包括仿生结构减阻、周期性/非周期性微结构减阻、疏水涂层减阻等。鲨鱼是海洋中游速最快的生物之一，近年来，各领域科研学者已对鲨鱼片结构的制备和应用进行了大量研究。韩鑫等通过压印等工艺在聚合物PDMS表面精确制备出鲨鱼片结构。通过水流实验表明，这种鲨鱼片结构表面相对于平滑表面获得了最高8.25％、平均6.91％的减阻效果。Park等通过不同的复制方法制备出仿生鲨鱼皮表面结构，结构精度超过90％。Luo Yuehao等通过制备鲨鱼皮结构将材料表面流变阻力降低12％以上。西北工业大学王晓娜等通过制备毫米尺度的周期性和准周期性沟槽结构以降低表面流体阻力，并利用剪切流变仪对结构表面剪切应力进行了检测，表明周期性和准周期性结构使材料表面在剪切速率为200～2000s-1范围内的减阻率最高达到21％。哈尔滨工业大学的张海峰团队利用激光刻蚀和化学涂层改性处理在不锈钢表面制备出具有各向异性粘附性能和超疏水性能的斜槽结构，通过在1.0～4.5m/s流速范围内对结构表面进行水流摩擦阻力检测，表明结构表面减阻率最高可达到47％。江苏大学团队通过利用飞秒激光在K9玻璃表面制备微脊光栅和硅烷化处理降低材料表面能，使用40％甘油溶液和水通过AR-G2流变仪对结构表面流变特性进行研究，表明固体表面减阻效果与流体粘度有关，结构表面对甘油溶液的减阻率最高达到47％，而对水减阻率仅为19％。
固体材料表面流体减阻结构设计和性能研究对其在流体机械与器件等领域的应用具有重要意义。近年来，国内外学者对流体减阻结构的设计、制备与减阻性能检测进行了广泛研究，并取得显著减阻效果。目前文献中的流体减阻结构多为周期性或呈规律性分布的平行结构，缺乏沿流体剪切方向的结构设计与减阻性能研究。
本发明专利利用激光在金属材料表面直接制备出沿径向呈周期性分布的凹槽微结构，显著降低材料表面对流体沿剪切方向的阻力。
发明内容
为研究金属材料表面流体减阻结构设计和减阻性能，本发明提出一种利用激光精密加工技术在金属材料表面直接加工沿径向周期性分布微凹槽减阻结构的方法，激光加工方法工艺简单灵活、成本低。
未达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种利用激光精密加工技术在金属表面直接加工微凹槽流体减阻结构的方法，包括以下步骤：
步骤一、选择用于加工微凹槽结构降低表面流体阻力的金属材料；
步骤二、利用砂纸对金属材料表面进行抛光处理，并采用无水乙醇或去离子水对抛光后的金属样品进行超声波清洗；
步骤三、设计利用激光在金属材料表面欲加工的微凹槽结构；
步骤四、确定激光加工参数，选用激光加工功率为1～20W，脉冲频率为50～1000kHz，脉冲宽度为0.2～100ps，波长为500～1100nm，扫描速度为10～5000mm/s；
步骤五、将金属样件置于激光精密加工平台上，调整激光束使焦点聚焦至金属样件表面，确定激光加工路径，利用激光工艺参数在金属样件表面加工出周期性微凹槽结构；
步骤六、将经过激光加工的金属样件置于无水乙醇或去离子水中进行超声波清洗，清洗时间为5～30min，即得到金属材料表面流体减阻的微凹槽结构。
其中，所述的用于加工微凹槽结构的金属材料包括钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金等。
依照上述制备方法制备得到的微凹槽结构，使金属材料表面流体剪切应力减阻率最高达到50％以上。
本发明采用超快脉冲激光在金属材料表面直接加工出微凹槽结构，实现表面流体阻力显著降低，其优点包括：
(1)本发明利用脉冲激光精密加工技术在金属材料表面加工微凹槽结构降低表面流体阻力，加工工艺简单灵活，加工精度高，可实现快速、高效的微凹槽结构加工；
(2)激光加工尺寸范围大，加工成本低，安全环保，加工材料广泛，激光加工工艺参数可调。
附图说明
图1为激光在金属表面加工的沿径向周期性分布的微凹槽减阻结构高分辨率光学图片；
图2为激光在金属表面加工的沿径向周期性分布的微凹槽减阻结构不同放大倍率的光学图片；
图3为激光加工金属材料结构表面对30％甘油水溶液的剪切应力-剪切速率分布曲线；
图4为激光加工金属材料结构表面对30％甘油水溶液的减阻率-剪切速率分布曲线。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
本发明提供的一种利用脉冲激光在金属材料表面加工微凹槽结构降低流体阻力的方法，包括以下步骤：
步骤一、利用砂纸对金属样件表面进行抛光处理，并采用去离子水对抛光后的样件进行超声波清洗5min；
步骤二、利用脉冲激光加工工艺在金属材料表面加工出周期性微凹槽结构；
步骤三、将激光加工后的金属样件置于去离子水中进行超声波清洗，清洗时间为10min；
步骤四、利用光学显微镜测试激光在金属材料表面加工得到的周期性微凹槽结构；
步骤五、采用30％甘油水溶液为流体阻力检测使用的液体，利用旋转式流变仪对激光加工微凹槽结构表面的流体阻力进行检测。
依照上述制备方法在金属材料表面制备得到的沿径向周期性分布的微凹槽结构，结构周期为50～300μm，凹槽宽度为20～100μm，微凹槽结构表面的减阻率最高达到50％以上。
本实施例中，所述的金属材料为Ti6Al4V钛合金材料。
本实施例中，所述的金属材料表面微凹槽结构加工选用飞秒激光器，激光器加工参数具体为：激光波长为1030nm，激光脉冲宽度为209fs，激光功率为8W，激光重复频率为200kHz，激光扫描速度为500mm/s。
参考图1所示，为激光加工周期性微凹槽结构光学图像；
参考图2所示，为激光加工周期性微凹槽结构不同放大倍率的光学图像；
参考图3所示，为激光加工金属材料结构表面对30％甘油水溶液的剪切应力-剪切速率分布曲线；
参考图4所示，为激光加工金属材料结构表面对30％甘油水溶液的减阻率-剪切速率分布曲线。

Claims (8)

1.一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，包括以下步骤：
步骤一、选择用于加工微凹槽结构降低表面流体阻力的金属材料；
步骤二、利用砂纸对金属样件表面进行抛光处理，采用无水乙醇或去离子水对抛光后的金属样件进行超声波清洗，并吹干；
步骤三、设计利用激光在金属样件表面欲加工的沿圆环径向周期性分布的微凹槽结构；
步骤四、确定激光加工参数和激光扫描工艺路径；
步骤五、将金属样件置于激光精密加工平台上，调整激光束使焦点聚焦至金属样件表面，利用激光工艺参数，按照激光扫描工艺路径，在金属样件表面加工出沿圆环径向周期性分布的微凹槽结构；
步骤六、将经过激光加工的金属样件置于无水乙醇或去离子水中进行超声波清洗，清洗时间为5～30min，对清洗后的样件进行吹干处理，即得到金属材料表面流体减阻的微凹槽结构。
2.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：所述的金属材料包括钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金等。
3.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：所述的微凹槽结构沿圆环径向的周期为30～300μm，凹槽宽度为20～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：脉冲激光加工功率为1～50W，脉冲频率为50～2000kHz，脉冲宽度为0.01～100ps，波长为200～1100nm，扫描速度为10～5000mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：激光扫描工艺路径为圆环形扫描。
6.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：在流变阻力检测过程中，所采用的流体溶液包括水、甘油、含30％甘油的水溶液、标准黏度液等。
7.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：在流变阻力检测过程中，所采用的流变阻力检测设备为旋转式流变仪。
8.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在金属表面加工环形微凹槽结构降低流变阻力的方法，其特征在于：激光加工微凹槽结构表面的流体阻力减阻率最高达到50％以上。
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