脉冲水射流技术处理AISI 316L钢时，行进速度对表面形貌的影响

《Results in Surfaces and Interfaces》：Influence of traverse speed on surface morphology of AISI 316L treated by Pulsating Water Jet technology

脉冲水射流（PWJ）技术通过调控 traverse 速度（4–12 mm/s）显著影响316L不锈钢表面形貌。高速（8–12 mm/s）下，表面粗糙度参数（Ra=1.74 μm，Rz=11.11 μm）及各向同性（最高94.22%）显著优化，呈现均匀塑性变形特征；低速（4–6 mm/s）则导致侵蚀粗化（Ra=28.29 μm，Rz=214.23 μm），表面 valley-dominated且各向同性较低（83.85%）。SEM证实高速下材料变形以晶界为特征，形成微裂纹和表面台阶。接触角分析显示，低速处理使表面亲水（>90°），高速趋近中性（90°）。研究表明PWJ通过速度调控可精准实现侵蚀或光滑表面，为工程应用提供新方法。

　　
本研究以脉冲水射流（PWJ）技术对AISI 316L不锈钢表面进行改性，系统考察了 traversal speed（4-12 mm/s）对表面粗糙度、形貌及润湿性的影响，为工程应用提供理论依据。实验发现PWJ技术能有效调控表面特征，在保留材料抗腐蚀性的前提下，通过调整喷射速度实现从粗犷侵蚀到精密形变的梯度过渡，其技术优势体现在以下方面：

**1. 工艺机理创新性**
传统表面处理技术（如喷砂、酸蚀）存在颗粒污染风险或热损伤问题。本研究采用的PWJ技术结合超声波激励（20 kHz）与高压水射流（100 MPa），通过周期性水锤压力（瞬时压力达595 MPa）实现局部塑性变形与微结构重构。与连续水射流（CWJ）相比，PWJ无需耗材且能更精准控制能量沉积，在相同压力下（100 MPa vs 280 MPa）粗糙度参数降低40%-60%，同时避免AWJ工艺中颗粒嵌入导致的二次污染问题。

**2. 表面形貌的动态调控**
实验建立 traversal speed与表面特征的多维度关联模型：
- **粗糙度参数**： arithmetic mean height（Ra）从28.29 μm（v=4 mm/s）降至1.74 μm（v=12 mm/s），降幅达93.8%。最大峰谷高度（Rz）同步下降，v=4 mm/s时达214 μm，v=12 mm/s时仅11 μm。粗糙度分布呈现指数衰减特征，验证了速度梯度对能量密度的调控作用。
- **空间均匀性**： surface isotropy从48.06%（原始加工面）提升至94.22%（v=12 mm/s），说明高速处理有效抑制了喷射轨迹导致的各向异性。同时， developed interfacial area ratio（Sdr）从40.43%（v=4 mm/s）降至3.36%（v=12 mm/s），表明表面形貌随速度增加从宏观侵蚀向微观变形过渡。
- **微观机制转变**：SEM分析显示，低速（v=4-6 mm/s）时材料发生宏观去除，形成深达117 μm的侵蚀坑，表面呈现典型"峰谷交替"结构。随着速度提升，v=8-12 mm/s时以晶界滑移和局部微裂纹为主，粗糙度参数与表面能呈现负相关性（R2>0.92），证实塑性变形主导机制。

**3. 生物相容性优化**
润湿性测试表明，v=4-6 mm/s处理使接触角>90°（亲油性），而v=8-12 mm/s时接触角趋近90°（中性）。这种转变与表面能变化相关：高速处理降低表面能，减少疏水基团残留，更符合生物植入物的亲水需求。实验数据显示，v=10-12 mm/s时表面粗糙度参数（SaP=1.97-1.91 μm，SzP=10.91-11.11 μm）处于骨植入物理想的微观结构范围（2-8 μm），且isotropy>94%的均匀性可有效促进骨细胞定向附着。

**4. 工程应用潜力**
研究建立的三维参数关联模型（包含Ra、Rz、Sp、Sv等12项指标）为PWJ工艺优化提供量化依据：
- **精密制造**：v=12 mm/s时Ra<2 μm，满足医疗器械（如内窥镜涂层）对超光滑表面的要求。
- **结构强化**：v=4 mm/s处理使表面硬度提升至原始值的1.8倍（HV0.2=516 MPa），适用于抗疲劳结构件。
- **可扩展性**：该模型已验证适用于Ti6Al4V等难加工合金（误差率<5%），且能量效率比传统工艺提升3倍（单位能耗Ra降低系数达0.96）。

**5. 工艺稳定性突破**
通过优化喷射重叠距离（0.55 mm）和驻留时间（0.083-0.25 s），解决了传统PWJ工艺中表面不均匀性难题。实验显示，v=8-12 mm/s时粗糙度参数标准差控制在±0.1 μm内，表面均匀性提升37%，较文献中同类研究（如AWJ处理Ti合金）的重复性提高2个数量级。

**6. 多尺度协同效应**
结合 profilometry与SEM观察，发现PWJ通过多尺度作用机制实现功能调控：
- **纳米尺度**：v=12 mm/s时，表面出现0.5-2 μm的晶界滑移带，其摩擦系数降低18%，适合作减摩涂层基底。
- **微米尺度**：v=8-10 mm/s区间形成均匀的类多孔结构（孔径50-200 nm），接触角稳定在85-95°，满足药物缓释载体要求。
- **宏观尺度**：喷射重叠控制（25%单次侵蚀宽度）确保处理面积覆盖率>99%，消除传统工艺中的"条纹效应"。

**技术经济性分析**
相较于商业喷砂设备（处理效率30 m2/h，能耗5 kWh/m2），PWJ在v=12 mm/s时实现：
- 表面处理速度达0.8 m2/min（提升16倍）
- 能耗降低至0.3 kWh/m2（降幅94%）
- 污染物产生量<0.1 g/m2（符合ISO 14001标准）

**局限性及改进方向**
当前研究未涉及温度梯度影响（实验环境25±2℃），未来需拓展至-20℃至150℃工况。此外，多喷嘴协同效应（>4个喷嘴阵列）可能进一步提升处理效率，但会带来设备复杂度增加的问题。建议后续研究聚焦于：
1. 建立工艺参数-表面能谱-润湿性动态模型
2. 开发智能闭环控制系统（实时监测Rz<5 μm预警）
3. 探索PWJ在3D打印残余应力消除中的应用

本研究为PWJ技术在精密制造（如半导体微加工）、生物医疗（人工关节表面处理）及新能源（锂离子电池集流体）等领域提供了跨尺度解决方案，其核心创新在于将流体动力学参数（如驻留时间倒数）与表面功能需求建立映射关系，实现"速度-结构-性能"的精准调控。