曾群鋒，田一偉，何萬(wàn)軍，林乃明

（1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.太原理工大學(xué)，太原 030024）

航行體與水流相互作用形成的摩擦阻力是航行阻力的主要部分，會(huì)降低航行速度、提高油耗。因此，使用各類方法降低摩擦阻力、減小能源損耗非常重要。船舶減阻技術(shù)可顯著降低燃料消耗，提高船舶航速，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事價(jià)值，日益成為船舶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。海洋中航行體在運(yùn)行過(guò)程中需要克服摩擦阻力，即航行體運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍水流摩擦而形成的阻力，其與航行體和水的接觸面積及邊界層各水層之間的切應(yīng)力等有關(guān)。對(duì)于常規(guī)船舶，摩擦阻力約占阻力的50%，而對(duì)于水下運(yùn)動(dòng)的航行體，如魚(yú)雷、潛艇等，該比例可高達(dá)70%。摩擦阻力是影響航行體速度和能耗的關(guān)鍵，減少摩擦阻力在整個(gè)海洋減阻領(lǐng)域中顯得尤為重要。因此降低摩擦阻力對(duì)水下減阻具有重要意義，也是水下減阻研究的重要領(lǐng)域之一。

業(yè)內(nèi)之前常采用有機(jī)錫防污涂層，其優(yōu)勢(shì)是在提供優(yōu)異防污性能的同時(shí)，涂層材料始終保持光滑平整，具有減阻效果。但有機(jī)錫防污材料具有環(huán)境毒性已被禁用，有機(jī)錫防污涂層的替代技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[1–3]。不同于有機(jī)錫防污涂層，表面微織構(gòu)技術(shù)具有環(huán)境友好性，有望減少流體摩擦和生物污損，同時(shí)避免對(duì)自然環(huán)境的破壞[4]。表面織構(gòu)化技術(shù)基于仿生摩擦學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)思想來(lái)源于鯊魚(yú)表皮、荷葉葉片、壁虎足部等，通過(guò)改變基材表面幾何結(jié)構(gòu)來(lái)改善表面行為，以提升零構(gòu)件表面的耐磨性、潤(rùn)濕性和減阻性等[5–11]。本研究在TC4 鈦合金表面構(gòu)建表面微織構(gòu)并評(píng)價(jià)其減阻性能。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 納秒激光打標(biāo)試驗(yàn)

本次加工設(shè)備為珊達(dá)YLP–SD20L 光纖激光打標(biāo)機(jī)，冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷形式，其各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 激光打標(biāo)機(jī)詳細(xì)參數(shù)信息Table 1 Detailed parameter information of laser marking machine

1.1.1 預(yù)試驗(yàn)

為控制變量，選用與加工工件相同種類的TC4 鈦合金圓盤(pán)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。本文選取試驗(yàn)基材為T(mén)C4鈦合金方塊，具體尺寸為8 mm×8 mm×4 mm。鈦合金方塊正反兩面及側(cè)面均已通過(guò)砂紙打磨至4000 目并拋光、超聲波清洗，保證其表面結(jié)構(gòu)光滑平整、無(wú)雜質(zhì)。預(yù)試驗(yàn)主要研究加工數(shù)目、激光功率、激光速度這3 個(gè)影響表面織構(gòu)的主要因素。首先研究不同速度、相同加工次數(shù)下功率由小到大導(dǎo)致的深度變化，如表2所示。預(yù)試驗(yàn)計(jì)劃構(gòu)造橢圓形織構(gòu)，長(zhǎng)軸為500 μm，短軸為250 μm。

表2 激光打標(biāo)機(jī)預(yù)試驗(yàn)計(jì)劃參數(shù)及加工深度數(shù)據(jù)Table 2 Laser marking machine pre-test plan parameters and sample depth data

試驗(yàn)采用控制變量法。通過(guò)樣件1～19 可研究相同加工次數(shù)下，凹坑質(zhì)量和深度與激光速度、激光功率的關(guān)系。通過(guò)試樣20～23 可研究相同激光速度、激光功率下凹坑質(zhì)量和深度與加工次數(shù)的關(guān)系。

1.1.2 激光打標(biāo)試驗(yàn)

將預(yù)試驗(yàn)所得樣件使用OLS4100 軟件觀察激光光聚焦得到的圖像，對(duì)其深度、粗糙度、結(jié)構(gòu)完整程度等進(jìn)行分析，表2 最后一列為各樣件的加工深度?？芍?，當(dāng)加工次數(shù)、激光速度不變時(shí)，凹坑深度與激光功率基本呈線性關(guān)系，所得凹坑深度隨激光功率的增大而變深。因此，U 型凹坑織構(gòu)（深120 μm）功率計(jì)劃選擇70%與80%，L 型凹坑織構(gòu)（深200 μm）功率計(jì)劃選擇80%與90%。同時(shí)，速度變化對(duì)凹坑深度影響并不顯著，選取300 mm/s 作為加工織構(gòu)通用的激光速度。當(dāng)激光速度、激光功率不變時(shí)，凹坑深度與加工次數(shù)基本呈正比，即隨加工次數(shù)增大而變深，且不同加工次數(shù)得到的微織構(gòu)加工質(zhì)量有一定區(qū)別。從激光光聚焦觀察結(jié)果可得，當(dāng)加工次數(shù)為1 或2 次時(shí)，凹坑底部存在毛刺，推測(cè)可能是因?yàn)榧庸ご螖?shù)較少，激光未能完全覆蓋打標(biāo)區(qū)域，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)存在瑕疵。當(dāng)打標(biāo)次數(shù)達(dá)到4 次及以上時(shí)，凹坑邊緣處存在大量燒焦金屬堆積，推測(cè)可能是對(duì)凹坑側(cè)壁及底部進(jìn)行加工時(shí)液化金屬濺出導(dǎo)致，對(duì)表面織構(gòu)整體結(jié)構(gòu)存在一定影響。因此后續(xù)試驗(yàn)的加工次數(shù)定為3 次。

綜合激光打標(biāo)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置開(kāi)光延時(shí)為–150 μs，關(guān)光延時(shí)為10 μs，結(jié)束延時(shí)為10 μs，拐角延時(shí)為10 μs，線間距為1 μm，環(huán)間距為0.5 mm。

利用激光光聚焦分別對(duì)加工后的TC4 鈦合金表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，圖1選取了4張加工次數(shù)、激光速度、激光功率各不相同的樣件圖像。

圖1 激光光聚焦觀察圖像Fig.1 Images observed by laser light focusing

由表2 中各試樣數(shù)據(jù)可進(jìn)行控制變量法試驗(yàn)，分析其他參數(shù)不變時(shí)，各主要參數(shù)對(duì)織構(gòu)深度、織構(gòu)表面形貌的影響。分析表2 中樣件1～19 可得到微織構(gòu)深度與激光功率的關(guān)系，如圖2所示。對(duì)激光功率與深度進(jìn)行回歸計(jì)算，當(dāng)加工速度為300 mm/s 時(shí)，二者基本呈線性關(guān)系。另外，分析樣件20～23 可得到微織構(gòu)深度與加工次數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖2 激光功率對(duì)深度的影響Fig.2 Effect of laser power on depth

圖3 加工次數(shù)對(duì)深度的影響Fig.3 Effect of working times on depth

1.1.3 試樣加工

（1）將經(jīng)過(guò)前處理的TC4 鈦合金方塊清洗、吹干，除去表面油脂、氧化物，水平置于打標(biāo)機(jī)加工區(qū)域。

（2）打開(kāi)激光打標(biāo)機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)，將表面微織構(gòu)圖形（10 mm×10 mm）dxf 文件導(dǎo)入系統(tǒng)中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并填充圖案。

（3）打開(kāi)激光打標(biāo)機(jī)操作系統(tǒng)，對(duì)焦以確保激光匯聚于鈦合金方塊上表面，打開(kāi)紅光以確保將鈦合金方塊上表面完全位于打標(biāo)范圍中（加工圖案面積應(yīng)大于上表面面積以確保完全覆蓋）。于方塊下方放置同種材料TC4 鈦合金圓盤(pán)以傳遞熱量、避免試樣受熱不均勻彎曲，同時(shí)保護(hù)打標(biāo)機(jī)加工平臺(tái)。

（4）開(kāi)始加工，每個(gè)試樣正反兩面加工同種圖案，注意應(yīng)使正反面微織構(gòu)結(jié)構(gòu)方向相同。

（5）將加工好的所有試樣用4000 目砂紙打磨、拋光以除去打標(biāo)濺起的金屬氧化層，分別用乙醇和丙酮超聲波清洗5 min，除去加工表面附著的雜質(zhì)，烘干、裝袋保存。

1.2 懸掛位移式阻力測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。其中，測(cè)試樣品是具有上下表面微織構(gòu)的TC4 鈦合金方塊，兩側(cè)以線固定，便于懸掛確定位置。流體選用自來(lái)水，其主要力學(xué)屬性與海水相似且成本低廉，便于獲取。用流速計(jì)將流速控制在0.5 m/s 以確保測(cè)試試樣位置穩(wěn)定，減小其擺動(dòng)幅度。

圖4 懸掛位移式阻力測(cè)試法試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Experimental device diagram of suspension displacement resistance test method

（1）搭建試驗(yàn)裝置，用細(xì)線于兩側(cè)固定、懸掛待測(cè)試樣，確保試樣水平懸浮于水槽液面以下。

（2）記錄流體靜止時(shí)試樣豎直位置。

（3）打開(kāi)水泵使流體開(kāi)始流動(dòng)，待水流穩(wěn)定后通過(guò)流速計(jì)測(cè)量上下表面平均流速，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵功率使試樣表面流速穩(wěn)定在0.5 m/s。若試樣難以穩(wěn)定，可在流場(chǎng)入口加裝穩(wěn)流器。

（4）記錄此時(shí)試樣與懸掛線一段時(shí)間內(nèi)的位置變化，取其平均值與初始值進(jìn)行對(duì)比，得到偏移量。

（5）改變?cè)嚇樱嚇游恢?、深度、流體速度等保持不變，分別與對(duì)照組（對(duì)照組材料、尺寸與各試樣相同，正反兩面打磨至4000 目后拋光、清洗，不進(jìn)行激光打標(biāo)）對(duì)比。

1.3 電化學(xué)腐蝕磨損試驗(yàn)

由于水壓的存在，航行體在水面下工作時(shí)會(huì)受到隨深度遞增的表面壓力，伴隨流體與表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的表面摩擦阻力，表面結(jié)構(gòu)會(huì)受到腐蝕磨損。表面應(yīng)力集中的點(diǎn)磨損容易形成裂紋，加劇電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致表面生銹穿孔，降低工作壽命。在鹽溶液濃度高、導(dǎo)電性能良好的海洋環(huán)境中，采用各種方式減緩其電化學(xué)腐蝕十分必要[12]。

試驗(yàn)所用器材為MS–ECT3000電化學(xué)摩擦試驗(yàn)機(jī)，主要應(yīng)用于各種溶液介質(zhì)中關(guān)鍵機(jī)械摩擦副零部件在不同工況之下摩擦系數(shù)及電化學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，獲取摩擦系數(shù)與電化學(xué)參數(shù)同步變化的原位數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)情況調(diào)整載荷及轉(zhuǎn)速，研究材料表面在不同種類腐蝕液體中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦性能和耐磨強(qiáng)度。

試驗(yàn)基材為T(mén)C4 鈦合金圓盤(pán)，直徑為20 mm，厚5 mm，處理方法與1.1.1 節(jié)相同，經(jīng)由4000 目砂紙打磨拋光并進(jìn)行超聲波清洗后，一側(cè)表面進(jìn)行激光打標(biāo)，獲得兩種不同類型的表面織構(gòu)。

電化學(xué)摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為40 r/min，載荷恒定為0.5 N，測(cè)量半徑（磨球與表面微織構(gòu)的接觸尺寸）為3 mm，試驗(yàn)時(shí)間為50 min。為最大程度模擬海洋環(huán)境中電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，腐蝕液體選用人工海水，其成分如表3所示。

表3 人工海水成分Table 3 Artificial seawater composition

2 結(jié)果與討論

2.1 納秒激光打標(biāo)試驗(yàn)

將加工完成的試樣分別通過(guò)光鏡與激光光聚焦觀察，確定其表面形貌及各項(xiàng)參數(shù)。圖5 為光鏡下的U型和L 型凹坑，可見(jiàn)兩種表面織構(gòu)結(jié)構(gòu)保持完整，長(zhǎng)寬、間距符合要求。圖6 為激光光聚焦結(jié)果，可見(jiàn)表面織構(gòu)深度符合要求，凹坑底部毛刺較少，符合試驗(yàn)要求。

圖5 光鏡下表面微織構(gòu)形貌Fig.5 Surface microtexture morphology under light microscope

圖6 激光光聚焦下表面微織構(gòu)形貌Fig.6 Surface microtexture morphology under laser light focusing

2.2 懸掛位移式阻力測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示?？梢?jiàn)，與對(duì)照組對(duì)比，在各試樣質(zhì)量相當(dāng)接近的情況下，U 型凹坑、L 型凹坑偏轉(zhuǎn)角度均有減小，且平均深度對(duì)偏轉(zhuǎn)角度影響較小，驗(yàn)證了兩種表面微織構(gòu)的減阻性能。結(jié)合COMSOL 建模模擬結(jié)果，分析認(rèn)為試驗(yàn)研究中的減阻機(jī)理與目前各種織構(gòu)理論研究結(jié)果一致。對(duì)L 型凹坑，流體流入凹槽產(chǎn)生回轉(zhuǎn)的二次渦對(duì)后續(xù)流入的流體產(chǎn)生了抑制作用，減小了不同流速流體的速度差，進(jìn)而降低了阻力；對(duì)U 型凹坑，流體斜向下流入凹坑之后將斜向上流出凹坑，各凹坑后部的流體將沿斜向上的方向匯入流體主體。這部分流體的存在對(duì)近壁面流體形成了阻礙，使得近壁面流體的邊界層產(chǎn)生紊亂，從而實(shí)現(xiàn)了摩擦阻力的減小[1]。

圖7 懸掛位移式阻力測(cè)試法試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of suspension displacement resistance test method

2.3 電化學(xué)腐蝕磨損試驗(yàn)

圖8 和9 為不同表面微織構(gòu)的開(kāi)路電位、表面摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，圖10 為對(duì)照組數(shù)據(jù)曲線。3組試樣開(kāi)路電位測(cè)試的平均表面摩擦系數(shù)與平均電位如表4所示。對(duì)完成腐蝕磨損試驗(yàn)的各試樣進(jìn)行激光光聚焦觀察，試驗(yàn)器材與具體步驟同1.1 節(jié)。激光光聚焦測(cè)量所得數(shù)據(jù)如表5所示。

圖8 L 型凹坑電化學(xué)摩擦試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 L–pit electrochemical friction test results

圖9 U 型凹坑電化學(xué)摩擦試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 U–pit electrochemical friction test results

圖10 對(duì)照組電化學(xué)摩擦試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of electrochemical friction in control group

表4 平均表面摩擦系數(shù)與電位Table 4 Average surface friction coefficient and potential

表5 激光光聚焦觀測(cè)結(jié)果Table 5 Observation results of laser light focusing

與對(duì)照組對(duì)比，U 型凹坑與L型凹坑其平均電位絕對(duì)值都有減小，說(shuō)明二者抗電化學(xué)腐蝕能力均有提升。L 型凹坑的平均表面摩擦系數(shù)要大于對(duì)照組平面，推測(cè)可能是因?yàn)榧庸て鞑木认拗疲疾鄣臒o(wú)量綱參數(shù)（即凹槽深度）選取了200，而文獻(xiàn)分析中認(rèn)為當(dāng)無(wú)量綱參數(shù)≥75 時(shí)可能出現(xiàn)增阻現(xiàn)象[1，12]。通過(guò)光鏡觀察，L 型凹槽表面存在一定的氧化層，推測(cè)可能是氧化層的出現(xiàn)影響了開(kāi)路電位的數(shù)值。U 型凹坑表面摩擦系數(shù)、平均電位表現(xiàn)較好，且經(jīng)腐蝕磨損試驗(yàn)后微織構(gòu)結(jié)構(gòu)完好，更加適合納秒激光加工。由于納秒激光加工精度影響，與U 型凹坑進(jìn)行對(duì)比，L 型凹坑加工后表面比較粗糙，在邊界潤(rùn)滑的條件下與磨球會(huì)有更多的接觸點(diǎn)[13]，增大了摩擦阻力。此外，激光打標(biāo)時(shí)凹坑邊緣會(huì)有部分金屬液化，濺出凹坑并凝固堆積在材料表面而非直接汽化，使表面織構(gòu)沿流動(dòng)方向不對(duì)稱，改變了流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。另一方面，L 型凹坑進(jìn)行腐蝕磨損試驗(yàn)時(shí)溝槽較為突出，與光滑表面和U 型凹坑相比其表面形貌更加尖銳，使得摩擦系數(shù)偏大。

3 結(jié)論

（1）納秒激光打標(biāo)器可應(yīng)用于構(gòu)造TC4 鈦合金的防污減阻表面微織構(gòu)，通過(guò)對(duì)加工次數(shù)、激光速度、激光功率的合理調(diào)整，可以減小凹坑底部與壁面粗糙度，減少毛刺與金屬堆積的產(chǎn)生，避免產(chǎn)生氧化物。

（2）模擬分析及懸掛位移式阻力測(cè)試法結(jié)果顯示，U 型凹坑與L型凹坑表面微織構(gòu)均能減小流動(dòng)阻力。根據(jù)雷諾數(shù)的不同，摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而改變阻力大小，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況選取合適的雷諾數(shù)進(jìn)行模擬分析及試驗(yàn)，注意當(dāng)表面微織構(gòu)沿不同流動(dòng)方向有不同結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選擇減阻效果最好的方向。

（3）電化學(xué)腐蝕磨損試驗(yàn)證明，兩種表面織構(gòu)均有一定的抗腐蝕能力，U 型凹坑還具有良好的抗磨損及減阻特性。納秒激光加工由于自身精度問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生加工缺陷，對(duì)織構(gòu)完整結(jié)構(gòu)與表面粗糙度有一定影響。