夏海洋,楊廣峰,張 杭,劉 玲,賈銘軒,崔 靜

(1.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300；2.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300300；3.中國民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備研究基地,天津 300300)

1 引 言

在寒冷地區(qū)的冬季,飛機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)冰的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處結(jié)冰可能會(huì)將小冰塊吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部,破壞了發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。輕則影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性,重則導(dǎo)致空中停車,釀成悲劇[1]。目前的飛機(jī)除冰方法有除冰液除冰,機(jī)械除冰,加熱除冰等[2]。但這些除冰方式花費(fèi)多,效率較低,還需要定期維護(hù),除冰除霜比較被動(dòng),無法從源頭上抑制延緩冰霜的形成[3]。因此需要主動(dòng)的除冰方法來抑制結(jié)冰,減少對高能耗除冰方法的依賴程度[4]。自然界中存在諸多如荷葉具備超疏水結(jié)構(gòu)表面的生物,其表面的水滴由于水的表面張力以及表面的結(jié)構(gòu)使得水滴近似于球形,水珠受重力作用或輕微擾動(dòng)后可以從其表面滾落并帶走灰塵[5]。因此,根據(jù)這些表面特征制成的仿生面其疏水抑冰特性值得深入研究。

崔靜[6]等人研究了激光掃描速度對鈦合金表面粗糙度的影響,其結(jié)果表明TC4表面粗糙度隨著掃描速度的降低而增加。泮懷海等人[7]通過改變激光的能量密度制作不同的表面,并且證明了制備的鈦合金表面受環(huán)境影響小,具有良好的疏水性和穩(wěn)定性。張寶路[8]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,超疏水表面能有效地防止低溫下雨時(shí)結(jié)冰,具有良好的抗結(jié)冰性能。成健[9]等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在空氣環(huán)境加工樣品,可以構(gòu)造疏水和超疏水表面,在真空環(huán)境加工,可以有效增加構(gòu)造超疏水表面的成功率。顧江[10]通過實(shí)驗(yàn)得出納秒激光制備表面生產(chǎn)效率高,但要求合適的工藝參數(shù)才能達(dá)到高質(zhì)量。

目前學(xué)者們針對激光微織構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)表面疏水抑冰原理做了大量的研究,對于納秒激光低速下的激光微織構(gòu)過程及其抑冰原理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究還有待進(jìn)一步完善。為了完善相關(guān)理論數(shù)據(jù),本文將鈦合金作為研究對象,用納秒激光構(gòu)造微結(jié)構(gòu)表面,進(jìn)行抗凍結(jié)特性的研究,為研究微結(jié)構(gòu)抑冰特性提供更多的研究基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 構(gòu)造表面微結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)基材使用TC4合金,通過切割、磨拋、超聲波清洗以及烘干密封等處理得到10 mm×10 mm×5 mm表面光滑平整的待加工試件,然后使用納秒激光器進(jìn)行表面加工。加工時(shí)采用“一”字形路徑掃描。為了獲得更為明顯的溝壑形貌,本文在加工時(shí)先用平均功率為21 W的激光進(jìn)行掃描,掃描完成后再用平均功率為10 W的激光進(jìn)行二次掃描。文中激光器設(shè)備的固定脈寬為150 ns,光斑直徑為50 μm,重復(fù)頻率為30 kHz。根據(jù)激光器的輸出特性,選取掃描間距為0.04 mm。在進(jìn)行了多次測試實(shí)驗(yàn)后,將激光的掃描速度分別設(shè)定為25 mm/s、50 mm/s、100 mm/s和150 mm/s。加工后的試件使用SEM掃描電鏡(KYKY-EM6900型,德國Carlzeiss公司)觀察表面形貌以及微組織結(jié)構(gòu)。并通過EDS能譜分析表面的化學(xué)元素種類以及各元素含量。

2.2 抑冰實(shí)驗(yàn)

表面微納結(jié)構(gòu)的差異會(huì)導(dǎo)致疏水性有所不同,進(jìn)而影響液滴在表面的傳熱速率,使得結(jié)冰過程減緩或加速。本文先通過接觸角測量儀測出表面的接觸角大小,測試時(shí)表面選取五個(gè)位置分別測量求取均值；然后將通過低溫冷臺(tái)對不同表面的抗凍性進(jìn)行研究。在進(jìn)行水滴凍結(jié)實(shí)驗(yàn)時(shí),環(huán)境的相對濕度控制在55 %,環(huán)境溫度控制在15 ℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)將試件放置在半導(dǎo)體冷臺(tái)上,通過顯微攝像機(jī)對試件表面上的液滴結(jié)冰進(jìn)行觀察,并經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 TC4表面微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分

從圖1中可以看出,經(jīng)激光加工后,表面形成了分布形態(tài)各異的凹陷與凸起,并且凹陷的深度與凸起的尺寸形貌在不同的掃描速度下有所不同。掃描速度為25 mm/s時(shí),凸起分布較為稀疏沒有規(guī)律且形狀不規(guī)則,從圖中無法看到凸起與凹陷之間明顯的分界,此時(shí)的試件表面因局部能量堆積較為嚴(yán)重,激光作用過程前后融化凝固的材料無法形成確定形態(tài)的凸起結(jié)構(gòu),場內(nèi)流動(dòng)混亂,導(dǎo)致表面粗糙度較小,并留下較為明顯的裂紋。直至掃描速度達(dá)到100 mm/s時(shí),在圖1(c)中才能觀察到試件表面凸起與凹陷之間明顯的分界。此時(shí)由凸起按“一”字排布的形貌開始成形,并且在表面未能觀察到明顯的裂紋。激光掃描速度在25～100 mm/s內(nèi)的變化過程中,表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。掃描速度達(dá)到150 mm/s時(shí),凸起的分布均勻,在其兩側(cè)依舊能夠觀察到明顯的直線型凹陷,凸起按預(yù)定一字型排列更加規(guī)整。與圖1(c)相比,圖1(d)中150 mm/s的速度下凹陷相對較淺,掃描速度的增大導(dǎo)致光斑重疊率降低,表面粗糙度呈現(xiàn)下降的趨勢,相鄰兩排凸起之間呈現(xiàn)出更為有序的微米結(jié)構(gòu)排列形貌。由此可以得出結(jié)論,對于較低的掃描速度由于光斑重疊率較大,局部燒蝕情況嚴(yán)重,無法觀察到凸起與凹坑之間的界限；隨著激光掃描速度的上升,表面粗糙度先增加,直到表面凸起與凹陷之間出現(xiàn)明顯的分界后,粗糙度隨著掃描速度的增加開始下降。

圖1 不同試件的掃描電鏡圖Fig.1 scanning electron microscopy at different speeds

表1為激光加工前后試件表面化學(xué)成分EDS測試結(jié)果。隨著激光掃描速度的增大,Ti元素含量上升,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)從57.28 %上升到72.41 %,O元素含量下降,質(zhì)量分?jǐn)?shù)從34.40 %下降到19.34 %。Ti與O的元素含量比值隨著掃描速度的增大急劇上升。其中,150 mm/s的工況下Ti元素含量逐漸接近于加工前的試件。可以從中推測,在激光掃描后,TC4合金的表面中發(fā)生了氧化反應(yīng),鈦的氧化物含量增加。并且該氧化反應(yīng)的劇烈程度與掃描速度,或者說與表面的燒蝕情況有著極大的關(guān)系。當(dāng)掃描速度越小,光斑重疊率越大,燒蝕情況越嚴(yán)重時(shí),處于空氣環(huán)境的試件表面發(fā)生氧化反應(yīng)的程度越劇烈,鈦的氧化物含量越高。

表1 加工前后合金表面化學(xué)元素含量Tab.1 Chemical composition of alloy surface before and after processing

3.2 表面接觸角

圖2為不同掃描速度下表面接觸角的變化情況。在掃描速度從25 mm/s上升到150 mm/s的過程中,接觸角呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。未經(jīng)激光處理的鈦合金表面接觸角為80.23°。當(dāng)掃描速度為25 mm/s時(shí),接觸角為99.68°,已經(jīng)呈疏水性。隨著激光掃描速度的增加,接觸角開始增大,在50 mm/s到150 mm/s掃描速度之間,合金表面均呈疏水性,并在掃描速度為100 mm/s時(shí)接觸角達(dá)到最大值138.27°,與表面粗糙度的變化相同。根據(jù)前述,在25～100 mm/s的速度范圍內(nèi),粗糙度隨著速度的增大而增大,表面粗糙程度由此上升因而導(dǎo)致接觸角隨之變大。當(dāng)掃描速度為150 mm/s時(shí),粗糙度下降,接觸角也下降,因此掃描速度為100 mm/s的工況為本實(shí)驗(yàn)的最佳工況。

圖2 不同表面接觸角的變化Fig.2 Change of contact angle of different surfaces

3.3 抑冰實(shí)驗(yàn)分析

圖3為各試件表面的水滴在不同時(shí)間下的凍結(jié)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)冷臺(tái)溫度設(shè)定為-8 ℃,用微量針管在試件表面注射15 μL的去離子水水滴,通過攝像機(jī)記錄下水滴在冷臺(tái)上結(jié)冰的過程。將水滴表面開始呈現(xiàn)不完全透明的那一刻定義為開始凍結(jié)時(shí)刻,從水滴滴落在試件表面到開始凍結(jié)時(shí)刻的時(shí)間段定義為開始凍結(jié)的時(shí)間。將水滴凍結(jié)后形態(tài)開始不發(fā)生改變的那一刻定義為完全凍結(jié)時(shí)刻,從水滴滴落在試件表面到完全凍結(jié)時(shí)刻的時(shí)間段為完全凍結(jié)的時(shí)間,分別觀察并記錄液滴開始凍結(jié)的時(shí)間以及完全凍結(jié)的時(shí)間。

圖3 不同試件表面液滴凍結(jié)過程Fig.3 Freezing process of droplets on the surface of different specimens

從圖3可以看出,在圖3(a2)、(b2)、(c2)、(d2)液滴開始凍結(jié)的瞬間,液滴外表首先凝固成外殼。隨著凍結(jié)過程的進(jìn)行,從圖3(a3)、(b3)、(c3)、(d3)這四張圖中可以觀察到,凍結(jié)過程中液滴形成了非常鮮明的固液兩相分界面,兩相分界面隨著時(shí)間的推移逐漸向上推移。完全凍結(jié)的液滴呈乳白色,頂部有小尖。我們在觀察過程中發(fā)現(xiàn)液滴內(nèi)部有小氣泡,在結(jié)冰過程中,液滴與冷臺(tái)接觸面凍結(jié),由于異相形核固液分界面在水與基體的界面處產(chǎn)生,因此只能向上膨脹,小氣泡由于向上膨脹以及水的表面張力,在液滴頂端排出并形成了尖狀突起。

從圖4中可以看出,在掃描速度25 mm/s、50 mm/s、100 mm/s和150 mm/s四個(gè)工況下,開始凍結(jié)的時(shí)間隨著掃描速度的增加先增大后減小并在掃描速度100 mm/s時(shí)達(dá)到最大值。各速度對應(yīng)的開始凍結(jié)時(shí)間分別為159 s、250 s、382 s和287 s,該變化趨勢與試件接觸角隨速度的變化趨勢相同。液滴與冷臺(tái)的接觸面積隨著接觸角的增大而減小,在掃描速度為100 mm/s時(shí),接觸角最大,此時(shí)液滴與冷臺(tái)的接觸面積最小。在疏水性表面,液滴與冷臺(tái)傳熱過程中,隨著接觸面積的減小,傳熱速率減慢,通過接觸面流失的熱量越少,冰核成型的時(shí)間越長,從而可以延緩液滴凍結(jié)。完全凍結(jié)時(shí)間分別為203 s、283 s、420 s、328 s,隨著掃描速度增大,完全凍結(jié)的時(shí)間同樣也是先增大后減小。從開始凍結(jié)時(shí)刻到完全凍結(jié)時(shí)刻為冰晶的生長階段,各速度下該階段時(shí)長在30～45 s之內(nèi),隨著掃描速度的變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

圖4 不同表面凍結(jié)時(shí)間的變化Fig.4 Change of freezing time of different surfaces

4 結(jié) 論

(1)由激光掃描速度引起的燒蝕變化會(huì)同時(shí)影響表面形貌以及表面氧化反應(yīng)程度,疏水性主要受表面粗糙度的影響。在較低的掃描速度下,隨著掃描速度的提升,激光對金屬的燒蝕程度降低,表面由不規(guī)則的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的一字型微結(jié)構(gòu)形貌,在25 mm/s到150 mm/s的范圍內(nèi)粗糙度先增后減,在掃描速度為100 mm/s時(shí)粗糙度最大,使得該工況下疏水性達(dá)到最佳。

(2)低溫冷表面的結(jié)冰情況與表面形貌有著極大的關(guān)系。由表面粗糙度引起的疏水性變化極大地影響著水滴的凍結(jié)過程。接觸角越大,水滴開始凍結(jié)的時(shí)間與完全凍結(jié)的時(shí)間均被延長,在掃描速度為100 mm/s的工況下,鈦合金表面形成了凸起凹坑分布有序的一字型形貌,抑冰性能被極大提升。