Lazerle işlenen 316L çelik alaşım yüzeyinin ıslanabilirlik davranışının incelenmesi
Investigation of wettability behaviour of laser textured 316L steel alloy surface
Yazar: DAMLA MERAY
Danışman: DOÇ. DR. BELGİN GENÇ ÖZTOPRAK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Son yıllarda mühendislik alaşımlarının yüzey topografyasının ve kimyasının değiştirilmesi ile malzeme yüzeyinin ıslanma davranışının fonksiyonelleştirilmesi havacılık malzemeleri, biyomedikal, ve mikroakışkan cihazları gibi endüstriyel uygulama alanlarında ilgi görmüştür. Hidrofobik özellik gösteren gül yaprağı, kelebek kanatları ve nilüfer yaprakları gibi doğal yapıların tümü incelendiğinde yüzeylerinin mikrometre ve nanometre mertebesinde yüzey yapılarına ve belirli bir yüzey kimyasına sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Malzemelerin yüzeylerinin işlenmesi ile oluşturulan bu ıslatma yüzeyleri, doğada var olan yapılardan ilham almaktadır. Metal alaşımlarına da yeni fonksiyonların kazandırılmasını sağlayan ıslanabilirlik davranışını elde etmek için yüzey topografyası ve yüzey kimyasının kombinasyonlu bir şekilde değişmesi gerekmektedir. Bu çalışmada 316L paslanmaz çelik malzeme yüzeyi nanosaniye atımlı bir fiber lazer kullanılarak lazer gücü (10, 20 ve 30 W), tarama hızı (500, 1000 ve 1500 mm/s), tarama mesafesi (50, 100 ve 150 μm) ve yardımcı gaz (azot, argon ve hava) parametreleri kullanılarak malzemenin yüzeyine hiyerarşik yapılar oluşturulmuştur. Yüzeyde lazerle oluşturulan yapıların 316L paslanmaz çelik malzeme yüzeyindeki ıslanma davranışının etkileri incelenmiştir. Yüzey işlemede kullanılacak her bir parametrenin etkisi MiniTab yazılımı kullanılarak Taguchi yöntemiyle belirlenmiştir. Optimum işleme parametreleri ile yeni bir numune üzerinde deney yapılmış ve literatürde haftalarca süren süperhidrofobikliğe geçiş süresi kısaltılarak 6. günde süperhidrofobik gül yaprağı etkisi gösteren malzeme yüzeyi elde edilmiştir. Yüzeyi işlenmiş malzemelerin yüzeylerinin dayanıklılığını karakterize etmek için mikro çizilme testi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde farklı gaz ortamlarında tarama hızının 500 mm/s olduğunda çizilme sertliğinin maksimum değerine ulaştığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In recent years, functionalization of the wetting behavior of the material surface by changing the surface topography and chemistry of engineering alloys has attracted attention in industrial application areas such as aerospace materials, biomedical, and microfluidic devices. When all natural structures such as rose petals, butterfly wings and lotus leaves, which show hydrophobic properties, are examined, it is concluded that they have surface structures in the micrometer and nanometer range and a certain surface chemistry. These wetting surfaces, created by processing the surfaces of the materials, are inspired by the structures existing in nature. In order to obtain the wettability behavior that provides new functions to metal alloys, the surface topography and surface chemistry should be changed in combination. In this study, hierarchical surface structures were created on the surface of the 316L stainless steel material using a nanosecond pulsed fiber laser using laser power (10, 20 and 30 W), scanning speed (500, 1000 and 1500 mm/s), scanning distance (50, 100 and 150 μm) and shielding gas (nitrogen, argon and air) parameters. The effects of the wetting behavior on the surface of the 316L stainless steel material of the laser-produced structures on the surface were investigated. In recent years, functionalization of the wetting behavior of the material surface by changing the surface topography and chemistry of engineering alloys has attracted attention in industrial application areas such as aerospace materials, biomedical, and microfluidic devices. When all natural structures such as rose petals, butterfly wings and lotus leaves, which show hydrophobic properties, are examined, it is concluded that they have surface structures in the micrometer and nanometer range and a certain surface chemistry. These wetting surfaces, created by processing the surfaces of the materials, are inspired by the structures existing in nature. In order to obtain the wettability behavior that provides new functions to metal alloys, the surface topography and surface chemistry should be changed in combination. In this study, hierarchical surface structures were created on the surface of the 316L stainless steel material using a nanosecond pulsed fiber laser using laser power (10, 20 and 30 W), scanning speed (500, 1000 and 1500 mm/s), scanning distance (50, 100 and 150 μm) and shielding gas (nitrogen, argon and air) parameters. The effects of the wetting behavior on the surface of the 316L stainless steel material of the laser-produced structures on the surface were investigated. The effect of each parameter to be used in surface treatment was determined by Taguchi method using MiniTab software. An experiment was carried out on a new sample with optimum processing parameters and the material surface showing the effect of superhydrophobic rose petals was obtained on the 6th day by shortening the transition time to superhydrophobicity, which lasted for weeks in the literature. Micro scratch test was applied to characterize the surface durability of the laser treated materials. When the obtained results were evaluated, it was determined that the scratch hardness reached its maximum value when the scanning speed was 500 mm/s in different gas environments.