Обработка металлов

Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением

Том 26, № 4 Октябрь - Декабрь 2024

Авторы:

Саблина Татьяна Юрьевна,

Панченко Марина Юрьевна,

Зятиков Илья Александрович,

Пучикин Алексей Владимирович,

Коновалов Иван Николаевич,

Панченко Юрий Николаевич

DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233

Скачать полный текст (RU)

Интерактивный просмотр (RU)

Скачать полный текст (EN)

Интерактивный просмотр (EN)

Аннотация
Авторы
Список литературы
Благодарности. Финансирование

Аннотация

Введение. Поверхностная модификация с использованием лазерного излучения является перспективным направлением в области создания новых технологий обработки металлических материалов, в том числе медицинского назначения. Способность лазеров изменять поверхностные характеристики материала и, следовательно, его взаимодействие с окружающей средой вызвала большой интерес среди исследователей. Несмотря на многочисленные рекомендации по использованию лазерной обработки поверхности, до сих пор не хватает систематических и детальных исследований по изучению влияния параметров, в особенности ультрафиолетового лазерного воздействия, на структурно-фазовое состояние и свойства модифицированной поверхности. Целью настоящей работы является исследование гидрофильности поверхности никелида титана и стали после УФ-лазерной обработки. Методы исследования. Экспериментальные образцы из сплава на основе никелида титана TiNi (ТН-10) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т подвергали локальному (диаметр пучка 0,5 см) воздействию твердотельного Nd:YAG-лазера на длине волны 266 нм с длительностью импульса ~5 нс и частотой повторения импульса 10 Гц. Воздействие на материал осуществляли при постоянной плотности энергии излучения, равной 0,1 Дж/см², с изменением продолжительности воздействия от 10 до 600 с. До и после УФ-лазерной обработки определяли смачиваемость поверхности материалов и свободную поверхностную энергию. Структуру, элементный и фазовый состав, а также топографию поверхности никелида титана и стали исследовали с помощью растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной спектроскопии, рентгенофазового анализа и профилометрии. Результаты и обсуждение. Ультрафиолетовая лазерная обработка поверхности образцов никелида титана и стали приводит к повышению их гидрофильности. В исходном состоянии краевой угол смачивания составляет ≈75° для обоих материалов, а после ультрафиолетовой лазерной обработки он снижается до 11…13° для TiNi и до ≈22° для стали. Фазовый состав стали в процессе лазерной обработки не изменяется, а на поверхности никелида титана после 420 с обработки регистрируются фазы, принадлежащие оксидам. Ультрафиолетовая лазерная обработка никелида титана и стали приводит к увеличению свободной поверхностной энергии, изменению соотношения ее составляющих (уменьшению дисперсной составляющей и значительному росту полярной составляющей) и увеличению содержания кислорода на поверхности обоих материалов. При длительных временах лазерного воздействия (более 420 с) на поверхности обрабатываемого материала происходят изменения морфологии и топографии, приводящие к увеличению шероховатости. Изменение топографии поверхности (шероховатости) никелида титана не оказывает заметного влияния на смачиваемость поверхности металлических материалов, а для стальных образцов наблюдается незначительная тенденция к снижению краевого угла смачивания с увеличением шероховатости. Степень гидрофильности металлических материалов, характеризующаяся краевым углом смачивания, с увеличением продолжительности лазерного воздействия повышается за счет насыщения поверхности свободным кислородом и увеличения свободной поверхностной энергии (ее полярной составляющей). На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что ультрафиолетовая лазерная обработка является эффективным способом изменения смачиваемости металлических материалов.

Ключевые слова: Ультрафиолетовое лазерное излучение, поверхность, лазерная обработка, гидрофильность, никелид титана, нержавеющая сталь, краевой угол смачивания

Авторы:

Саблина Татьяна Юрьевна
канд. техн. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, sabltat@mail.ru

Панченко Марина Юрьевна
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, panchenko.marina4@gmail.com

Зятиков Илья Александрович
Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru

Пучикин Алексей Владимирович
Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, puchikin@lgl.hcei.tsc.ru

Коновалов Иван Николаевич
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, ivan@lgl.hcei.tsc.ru

Панченко Юрий Николаевич
доктор физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634050, Россия, yu.n.panchenko@mail.ru

Список литературы

1. Slobodyan M.S., Markov A.B. Laser and electron-beam surface processing on TiNi shape memory alloys: a review // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (5). – P. 565–615. – DOI: 10.1007/s11182-024-03158-5.

2. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом / А.В. Филиппов, Н.Н. Шамарин, Е.Н. Москвичев, О.С. Новицкая, Е.О. Княжев, Ю.А. Денисова, А.А. Леонов, В.В. Денисов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 87–102. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-87-102.

3. The influence of surface treatment on wettability of TiNi-based alloy / Y.F. Yasenchuk, S.V. Gunther, O.V. Kokorev, E.S. Marchenko, V. Gunther, G.A. Baigonakova, K.M. Dubovikov // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (2). – P. 333–338. – DOI: 10.1007/s11182-019-01716-w.

4. Surface treatment of metals in the plasma of a nanosecond diffuse discharge at atmospheric pressure / M. Erofeev, V. Ripenko, M. Shulepov, V. Tarasenko // The European Physical Journal D: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2017. – Vol. 71. – Art. 117. DOI: 10.1140/epjd/e2017-70636-6.

5. Research progress of metal biomaterials with potential applications as cardiovascular stents and their surface treatment methods to improve biocompatibility / X. Duan, Y. Yang, T. Zhang, B. Zhu, G. Wei, H. Li // Heliyon. – 2024. – Vol. 10 (4). – P. e25515. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e25515.

6. Kolobov Yu.R. Nanotechnologies for the formation of medical implants based on titanium alloys with bioactive coatings // Nanotechnologies in Russia. – 2009. – Vol. 4 (11–12). – P. 758–775. – DOI: 10.1134/S1995078009110020.

7. Studying the influence of nanosecond pulsed laser action on the structure of submicrocrystalline titanium / Y.R. Kolobov, S.S. Manokhin, G.V. Odintsova, V.I. Betekhtin, A.G. Kadomtsev, M.V. Narykova // Technical Physics Letters. – 2021. – Vol. 47. – P. 721–725. – DOI: 10.1134/S1063785021070245.

8. Ionin A.A., Kudryashov S.I., Samokhin A.A. Material surface ablation produced by ultrashort laser pulses // Physics-Uspekhi. – 2017. – Vol. 60. – P. 149–160. – DOI: 10.3367/UFNe.2016.09.037974.

9. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K. Laser processing of metallic biomaterials: an approach for surface patterning and wettability control // The European Physical Journal Plus. – 2015. – Vol. 130 (12). – Art. 247. – DOI: 10.1140/epjp/i2015-15247-5.

10. Mironov Yu.P., Meisner L.L., Lotkov A.I. The structure of titanium nickelide surface layers formed by pulsed electron-beam melting // Technical Physics. – 2008. – Vol. 53 (7). – P. 934–942. – DOI: 10.1134/S1063784208070189.

11. LASER as a tool for surface modification of dental biomaterials: a review / R. Saran, K. Ginjupalli, S.D. George, S. Chidangil, V.K. Unnikrishnan // Heliyon. – 2023. – Vol. 9 (6). – P. e17457. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e17457.

12. Ajmal S., Hashmi F.A., Imran I. Recent progress in development and applications of biomaterials // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62 (1). – P. 385–391. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.04.233.

13. Enhanced bone apposition to a chemically modified SLA titanium surface / D. Buser, N. Broggini, M. Wieland, R.K. Schenk, A.J. Denzer, D.L. Cochran, B. Hoffmann, A. Lussi, S.G. Steinemann // Journal of Dental Research. – 2004. – Vol. 83. – P. 529–533. – DOI: 10.1177/154405910408300704.

14. Graded functionality obtained in NiTi shape memory alloy via a repetitive laser processing strategy / Y. Yang, Z.G. Wu, B.Y. Shen, M.Z. Wu, Z.S. Yuan, C.Y. Wang, L.C. Zhang // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 296. – P. 117177. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117177.

15. Surface characterizations of laser modified biomedical grade NiTi shape memory alloys / A. Pequegnat, A. Michael, J. Wang, K. Lian, Y. Zhou, M.I. Khan // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 367–378. – DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.085.

16. The effect of fs-laser micromachining parameters on surface roughness, bio-corrosion and biocompatibility of nitinol / V. Chenrayan, V. Vaishnav, K. Shahapurkar, P. Dhanabal, M. Kalayarasan, S. Raghunath, M. Mano // Optics and Laser Technology. – 2024. – Vol. 170. – P. 110200. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.110200.

17. Biocompatibility of the micro-patterned NiTi surface produced by femtosecond laser / C. Liang, H. Wang, J. Yang, B. Li, Y. Yang, H. Li // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 261. – P. 337–342. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.08.011.

18. Surface microtexturing of Ti–6Al–4V using an ultraviolet laser system / W.-T. Hsiao, H.-C. Chang, A. Nanci, R. Durand // Materials and Design. – 2016. – Vol. 90. – P. 891–895. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.11.039.

19. Benay U.-Y. Mechanical performance of metallic biomaterials: fundamentals and mechanism // Multiscale cell-biomaterials interplay in musculoskeletal tissue engineering and regenerative medicine / ed. by J. Miguel Oliveira, R.L. Reis, S. Pina. – Academic Press, 2024. – Ch. 5. – P. 113–126. – ISBN 978-0-323-91821-3. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91821-3.00011-6.

20. Biocompatibility of micro/nanostructures nitinol surface via nanosecond laser circularly scanning / S. Li, Z. Cui, W. Zhang, Y. Li, L. Li, D. Gong // Materials Letters. – 2019. – Vol. 255. – P. 126591. – DOI: 10.1016/j.matlet.2019.126591.

21. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of picosecond laser microstructured aluminum in ambient air / J. Long, M. Zhong, H. Zhang, P. Fan // Journal of Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 441. – P. 1–9. – DOI: 10.1016/j.jcis.2014.11.015.

22. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K.Improving the hydrophilicity of metallic surfaces by nanosecond pulsed laser surface modification // Journal of Laser Applications. – 2015. – Vol. 27 (4). – P. 042006-1–042006-9. – DOI: 10.2351/1.4928290.

23. Es-Souni M., Es-Souni M., Fischer-Brandies H. Assessing the biocompatibility of TiNi shape memory alloys used for medical applications // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2005. – Vol. 381. – P. 557–567. – DOI: 10.1007/s00216-004-2888-3.

24. Shabalovskaya S.A. Physicochemical and biological aspects of nitinol as a biomaterial // International Materials Reviews. – 2001. – Vol. 46. – P. 233–250. – DOI: 10.1179/095066001771048745.

25. Laser-induced wettability gradient surface on NiTi alloy for improved hemocompatibility and flow resistance / Q. Zhang, J. Dong, M. Peng, Z. Yang, Y. Wan, F. Yao, J. Zhou, C. Ouyang, X. Deng, H. Luo // Materials Science and Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110847. – DOI: 10.1016/j.msec.2020.110847.

26. Structure formation on titanium during oxidation induced by cumulative pulsed Nd:YAG laser irradiation / E. György, A. Pérez del Pino, P. Serra, J.L. Morenza // Applied Physics. A, Materials Science & Processing. – 2004. – Vol. 78 (5). – P. 765–770. – DOI: 10.1007/s00339-002-2054-8.

27. Fabrication of superhydrophilic surface on metallic nickel by sub-nanosecond laser-induced ablation / H.-Z. Zhu, H.-C. Zhang, X.-W. Ni, Z-H. Shen, J. Lu // AIP Advances. – 2019. – Vol. 9 (8). – P. 085308. – DOI: 10.1063/1.5111069.

28. Study on the surface properties and biocompatibility of nanosecond laser patterned titanium alloy / Y. Wang, M. Zhang, K. Li, J. Hu // Optics and Laser Technology. – 2021. – Vol. 139. – P. 106987. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.106987.

29. Surface morphology modifications of titanium based implant induced by 40 picosecond laser pulses at 266nm / D.S. Milovanovic, B. Radak, B.M. Gakovic, D. Batani, M.D. Momcilovic, M.S. Trtica // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 501 (1). – P. 89–92. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.04.047.

30. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1969. – Vol. 13 (8). – P. 1741–1747. – DOI: 10.1002/app.1969.070130815.

31. Razi S., Madanipour K., Mollabashi M. Laser surface texturing of 316L stainless steel in air and water: a method for increasing hydrophilicity via direct creation of microstructures // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 80. – P. 237–246. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2015.12.022.

32. Nanopatterned metallic surfaces: their wettability and impact on ice friction / A. Kietzig, M. Mirvakili, S. Kamal, P. Englezos // Journal of Adhesion Science and Technology.– 2011. – Vol. 25. – P. 1293–1303.

33. Dynamics of titanium surface characteristics after its treatment by runaway electron preionized diffuse discharge / M.A. Shulepov, M.V. Erofeev, V.S. Ripenko, V.F. Tarasenko // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 830. – P. 012090. – DOI: 10.1088/1742-6596/830/1/012090.

34. Surface XPS characterization of NiTi shape memory alloy after advanced oxidation processes in UV/H₂O₂ photocatalytic system / R.M. Wang, C.L. Chu, T. Hu, Y.S. Dong, C. Guo, X.B. Sheng, P.H. Lin, C.Y. Chung, P.K. Chu // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 253 (20). – P. 8507–8512. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.04.018.

35. Hashimoto K., Irie H., Fujishima A. TiO₂ photocatalysis: a historical overview and future prospects // Japanese Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 44 (12). – P. 8269–8285. – DOI: 10.1143/JJAP.44.8269.

36. Photoinduced surface reactions on TiO₂ and SrTiO₃ films: photocatalytic oxidation and photoinduced hydrophilicity / M. Miyauchi, A. Nakajima, A. Fujishima, K. Hashimoto, T. Watanabe // Chemistry of Materials. – 2000. – Vol. 12. – P. 3–5. – DOI: 10.1021/cm990556p.

37. Photocatalysis and photoinduced hydrophilicity of various metal oxide thin films / M. Miyauchi, A. Nakajima, T. Watanabe, K. Hashimoto // Chemistry of Materials. – 2002. – Vol. 14. – P. 2812–2816. – DOI: 10.1021/cm020076p.

38. Gentleman M.M., Ruud J.A. Role of hydroxyls in oxide wettability // Langmuir. – 2010. – Vol. 26 (3). – P. 1408–1411. – DOI: 10.1021/la903029c.

39. Рудакова А.В., Емелин А.В. Фотоиндуцированное изменение гидрофильности поверхности тонких пленок // Коллоидный журнал. – 2021. – Т. 83 (1). – С. 3–34. – DOI: 10.31857/S0023291221010109.

40. Surface oxidation phenomenon and mechanism of AISI 304 stainless steel induced by Nd:YAG pulsed laser / C.Y. Cui, X.G. Cui, X.D. Ren, M.J. Qi, J.D. Hu, Y.M. Wang // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 305. – P. 817–824.

41. In vitro biocompatibility of the surface ion modified NiTi alloy / E. Gudimova, L. Meisner, A. Lotkov, V. Matveeva, S. Meisner, A. Matveev, O. Shabalina // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 020071. – DOI: 10.1063/1.4966364.

42. The structure of the NiTi surface layers after the ion-plasma alloying of Ta / T.M. Poletika, S.L. Girsova, L.L. Meisner, E.Yu. Schmidt, S.N. Meisner // AIP Conference Proceedings. – 2015. – Vol. 1683 (1). – P. 020183. – DOI: 10.1063/1.4932873.

43. Structure and chemical state of oxide films formed on crystalline TiNi alloy and glassy Ti-Ni-Ta-Si surface alloy / V.O. Semin, E.Y. Gudimova, S.Y. Timoshevskaya, E.V. Yakovlev, A.B. Markov, L.L. Meisner // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2023. – Vol. 32. – P. 8478–8492. – DOI: 10.1007/s11665-022-07727-y.

Для цитирования:

Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением / Т.Ю. Саблина, М.Ю. Панченко, И.А. Зятиков, А.В. Пучикин, И.Н. Коновалов, Ю.Н. Панченко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 218–233. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233.

For citation:

Sablina T.Y., Panchenko M.Yu., Zyatikov I.A., Puchikin A.V., Konovalov I.N., Panchenko Yu.N. Study of surface hydrophilicity of metallic materials modified by ultraviolet laser radiation. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2024, vol. 26, no. 4, pp. 218–233. DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233. (In Russian).

Просмотров: 517

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением