Development of Laser Induced Hierarchical Surface Structures on Ti-6Al-4V using short and ultra-short pulsed lasers for modified wettability applications

Huerta Murillo, Daniel (2019). Development of Laser Induced Hierarchical Surface Structures on Ti-6Al-4V using short and ultra-short pulsed lasers for modified wettability applications. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.54787.

Description

Title: Development of Laser Induced Hierarchical Surface Structures on Ti-6Al-4V using short and ultra-short pulsed lasers for modified wettability applications
Author/s:
  • Huerta Murillo, Daniel
Contributor/s:
  • Ocaña Moreno, José Luis
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Física Aplicada e Ingeniería de Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En esta tesis, se investiga la viabilidad de la escritura directa por láser para la creación de superficies funcionales con una mejor humectabilidad en la aleación de titanio TÍ-6A1-4V. 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 fim de ancho, 2-10 fim 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 fim. 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 fim tanto en la dirección vertical como horizontal y una profundidad promedio de 1.5 fim 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 TÍ-6A1-4V, 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 °. Espectroscopia 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. ----------ABSTRACT---------- In this thesis, the feasibility of direct laser writing for the creation of functional surfaces with enhanced wettability on titanium alloy Ti-6Al-4V is investigated. The direct laser writing technique was employed using a UV nanosecond pulsed laser work station in the Laser Centre of the UPM. The micro-structures consisted in squared shape micro-pillars with different length (15 - 50 μm length width, 2-10 μm height), which can be varied with a resolution of a few micrometers. The nanosecond laser fabricated pillars exhibits a closed-package structures on the top as a result of the thermal effect encountered when working with nanosecond lasers, recasting molten material in the periphery of the micro-pillars tops. These structures have been proven beneficial for the development of hydrophobic surfaces on metals. The surface morphology of the irradiated area was characterized with scanning electron microscopy and confocal microscopy. Additionally, direct laser interference patterning using a picosecondpulsed laser was employed to create line-like and pillar-like periodic micro-structures with the help and collaboration of the Fraunhofer Institute in Dresden, Germany. In a two-step process, a second laser irradiation was performed on the same surfaces using the direct laser interference patterning technique to create near sub-micron periodic pillars with a spatial period of 2.6 μm. The combination of these two laser processing techniques allows the creation of well-defined hierarchical structures. The surface structure generated by the DLIP technique is uniform all over the processed area, showing a periodic set of micro-pillars with an average depth of 0.9 μm at both the vertical and horizontal direction and an average depth of 1.5 μm at the interference maxima-maxima intersection. Furthermore, in a collaboration with the University of Birmingham, the formation of LIPSS was created on the surface of the Ti- 6Al-4V samples, using a IR femtosecond pulsed laser with the direct laser writing technique. The femtosecond low spatial frequency LIPSS were generated on top of the nanosecond patterned structure to create a dual-scale structure. The femtosecond process is free of thermal effects, meaning that the previously fabricated structures were not affected by this second laser process. The LIPSS generated show selforganized ripples in a very uniform manner with a spatial period of approximately 810 nm. The final surface exhibits a dual-scale roughness thus providing a successful method to generate hierarchical structures. Static contact angle measurements were made to analyze the wettability behavior of the structures. For all the laser processes, the samples were hydrophilic imidiatly after the processing. Nevertheless, subsequent ageing was observed as the past of the time, showing an increase in the static contact angle. By employing two different storage methods, an investigation of the role of the storage conditions was undertaken. The samples were kept in two different storage conditions: exposed to ambient air and inside polyethylene bags. The polyethylene bags were found to be beneficial for the surface ageing of laser-fabricated titanium surfaces, increasing the ageing time when compared to ageing by exposure to ambient air. Hierarchical surface topographies exhibited higher water-repellency when compared to non-hierarchical structures. Especially, hierarchical structures reached a hydrophobic state with water contact angle over 160• after 3 weeks storage in polyethylene bags, in comparison with the hierarchical surfaces kept on air which showed a SCA around 120•. X-ray photoelectron spectroscopy was used to analyze the chemical composition of the samples in different storages, showing that the samples were heavily oxidized, with the processed samples exhibiting a clear increase in the total oxygen concentration in comparison with the reference sample. Among the oxygen compounds, a clear difference in the relative content of water molecules between samples with the same surface structure kept in two different storage conditions was observed. For the case of the sample kept in air, water molecules were detected, while for the case of the polyethylene bag, which shows the highest contact angle, no traces of water molecules were found. Furthermore, the detailed analysis of the C spectra for the processed samples showed traces of several polar and non-polar carbon compounds, with the sample kept in polyethylene bag showing the lowest concentration of polar molecules while also displaying the highest contact angle. The results indicate that the absence of polar molecules highly affect the wettability of the surface. Additionally, the corrosion resistance of the processed samples was studied. Linear polarization studies were performed on the fabricated structures to investigate the corrosion resistance behavior or the direct laser writing micro-pillars and the fabricated hierarchical structures in a 0.5 M NaCl solution. Results shown that even if the corrosion current density and the corrosion potential were not greatly improved by hydrophobic DLW structures, the hierarchical structures clearly improved the pitting corrosion resistance of the material (approximately > 7 V) in at least 1 V with respect to the reference value, which was around 5.5 V. Furthermore, the icephobic performance of micro-structured surfaces was investigated under atmospheric in-flight icing conditions to investigate the feasibility to generate ice-phobic surfaces. The laser processed surfaces manufactured with direct laser writing do not reduce ice adhesion under in-flight icing conditions for the samples testes, nevertheless, more patterns must be investigated in order to assess which topography is most beneficial for reducing ice adhesion in in-flight conditions.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020675063LASER4FUNUnspecifiedEUROPEAN ESRs NETWORK ON SHORT PULSED LASER MICRO/NANOSTRUCTURING OF SURFACES

More information

Item ID: 54787
DC Identifier: http://oa.upm.es/54787/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:54787
DOI: 10.20868/UPM.thesis.54787
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 06 May 2019 06:47
Last Modified: 06 Nov 2019 23:30
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