Development of laser induced hierarchical surface structures on ti-6al-4v using short and ultra-short pulsed lasers for modified wettability applications

• Autores: Daniel Huerta Murillo
• Directores de la Tesis: José Luis Ocaña Moreno (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús de Vicente Oliva (presid.), Ángel García Beltrán (secret.), Antonio Giménez Fernández (voc.), Henryk Fiedorowicz (voc.), Francisco Javier Ester Sola (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología minera
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • En esta tesis, se investiga la viabilidad de la escritura directa por láser para la creación de superficies funcionales con una mejor humecta-bilidad en la aleación de titanio Ti-6Al-4V. La técnica de escritura directa por láser se empleó utilizando una estación de trabajo de láser pulsado de nanosegundos UV en el Centro de láser de la UPM. Las microestructuras creadas consisten en micro-pilares de forma cuadrada con diferentes longitudes (15 a 50 µm de ancho, 2-10 µm de altura), que se pueden variar con una resolución micrométrica. Los pilares fabricados con láser de nanosegundos exhiben una estructura con una forma cerrada en la parte superior como resultado del efecto térmico que se produce cuando se trabaja con láseres de nanosegundos, moviendo material fundido que se re-solidifica a la periferia de los micro-pilares. Estas estructuras han demostrado ser beneficiosas para el desarrollo de superficies hidrófobas en metales. La morfología de la superficie del área irradiada se caracterizó con microscopía electrónica de barrido y microscopía confocal.

    Adicionalmente, se empleó la técnica de texturizado mediante interferencia directa de láser, utilizando un láser de pulsos de picosegundo para crear microestructuras periódicas con formas de línea y pilar, con la ayuda y colaboración del Instituto Fraunhofer en Dresde, Alemania. En un proceso de dos pasos, se realizó una segunda irradiación con láser en las mismas superficies para crear pilares periódicos con un período espacial de 2.6 µm. La estructura generada en la superficie es uniforme en toda el área procesada, mostrando un conjunto periódico de micro-pilares con una profundidad promedio de 0.9 µm tanto en la dirección vertical como horizontal y una profundidad promedio de 1.5 µm en el máximo de interferencia. La combinación de estas dos técnicas de procesamiento por láser permite la creación de estructuras jerárquicas bien definidas.

    En colaboración con la Universidad de Birmingham, la formación de LIPSS se creó en la superficie de las muestras de Ti-6Al-4V, utilizando un láser IR de pulsos de femtosegundos con la técnica de escritura directa por láser. Los LIPSS de baja frecuencia espacial de femtosegundos se generaron en la parte superior de la estructura generadas con el láser de nanosegundos para crear una estructura de escala dual. El proceso de femtosegundo está libre de efectos térmicos, lo que significa que las estructuras fabricadas previamente no se vieron afectadas por este segundo proceso de láser. Los LIPSS generados muestran estructuras auto-organizadas de manera muy uniforme con un período espacial de aproximadamente 810 nm. La superficie final muestra una rugosidad de doble escala, lo que proporciona un método exitoso para generar estructuras jerárquicas.

    Se realizaron mediciones estáticas de los ángulos de contacto para analizar el comportamiento de humectabilidad de las estructuras. Para todos los procesos con láser, las muestras fueron hidrofílicas inmediatamente después del procesamiento laser. Sin embargo, con el envejecimiento natural se observó un aumento en el ángulo de contacto estático. Empleando dos métodos de almacenamiento diferentes, se realizó una investigación de la importancia de las condiciones de almacenamiento en este proceso. Las muestras se mantuvieron en dos condiciones de almacenamiento diferentes: expuestas al aire ambiente y dentro de bolsas de polietileno. Se encontró que las bolsas de polietileno son beneficiosas para el envejecimiento de la superficie de las superficies de titanio fabricadas con láser, disminuyendo el tiempo de envejecimiento necesario para ser hidrofóbicas en comparación con el envejecimiento por exposición al aire ambiente. Las topografías jerárquicas mostraron una mayor repelencia al agua en comparación con las estructuras no jerárquicas. Especialmente, las estructuras jerárquicas alcanzaron un estado hidrofóbico con un ángulo de contacto del agua de más de 160 ° después de 3 semanas de almacenamiento en bolsas de polietileno, en comparación con las superficies jerárquicas mantenidas en el aire que mostraron un ángulo de contacto de alrededor de 120 °.

    Espectroscopía foto-electrónica de rayos X se utilizó para analizar la composición química de las muestras almacenadas en diferentes condiciones. Los resultados indican oxidación en las zonas tratadas, mostrando un claro aumento en la concentración total de oxígeno en comparación con la muestra de referencia. Entre los compuestos de oxígeno, se observó una clara diferencia en el contenido relativo de moléculas de agua entre muestras con las mismas estructuras mantenidas en dos condiciones de almacenamiento diferentes. Para el caso de la muestra mantenida en el aire, se detectaron moléculas de agua, mientras que para el caso de la bolsa de polietileno, que muestra el ángulo de contacto más alto, no se encontraron rastros de moléculas de agua. Además, el análisis detallado de los espectros de C para las muestras procesadas mostró trazas de varios compuestos de carbonos polares y no polares, siendo la muestra que se mantuvo en una bolsa de polietileno quien muestra la concentración más baja de moléculas polares, la cual también mostró el ángulo de contacto más alto. Los resultados indican que la ausencia de moléculas polares afecta mucho la humectabilidad de la superficie.

    Adicionalmente, se estudió la resistencia a la corrosión de las muestras procesadas. Se realizaron estudios de polarización lineal en las estructuras fabricadas para investigar el comportamiento de resistencia a la corrosión de los micro-pilares fabricados por escritura directa por láser y las estructuras jerárquicas en una solución de 0.5 M de NaCl. Los resultados muestran que incluso si la densidad de la corriente de corrosión y el potencial de corrosión no son mejorados en gran medida por las estructuras creadas con nanosegundos, las estructuras jerárquicas si mejoraron claramente la resistencia a la corrosión por picadura del material (aproximadamente < 7 V) en al menos 1 V con respecto a la referencia valor, que fue de alrededor de 5,5 V.

    El rendimiento hielo-fóbico de las superficies micro-estructuradas se investigó en condiciones atmosféricas de congelación en vuelo simulado para investigar la viabilidad de generar superficies hielo-fóbicas. Las superficies fabricadas con escritura láser directa no reducen la adhesión al hielo en condiciones de vuelo para las muestras testeadas, sin embargo, se deben investigar más combinaciones de los parámetros de las estructuras para evaluar qué topografía es más beneficiosa para reducir la adhesión del hielo en condiciones de vuelo.