Ukrainian Journal of Physical Optics

2024 Volume 25, Issue 2

ISSN 1609-1833 (Print)


1Guojun Deng and 1,2Jialiang Guo

1Research Department for New-Display Technologies, Jihua Laboratory, Foshan 528251, China
2School of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China


A flexible and efficient solution is developed to enhance the performance and extend the service life of a Ti6–Al4–V titanium alloy. This solution combines a commercially available nanosecond laser-based metal-surface patterning technique with a self-assembled molecular-film modification. The surface of the titanium alloy is patterned with periodic dimple arrays of varying densities and depths using the laser processing. The surface morphology, roughness and chemical composition of our samples are analyzed using a scanning electron microscopy and a confocal microscopy. Moreover, the wettability of the modified titanium-alloy surface is assessed with a contact-angle meter, yielding in a maximum contact angle as large as 153.2°. The coefficient of friction is measured using a tribometer and the wear mechanism is analyzed with a study of surface morphology. Under dry-sliding and water-lubrication conditions, the average coefficient of friction is reduced respectively by over 20% and 60%, when compared to the value typical for the original surface. This reduction is attributed to changed surface roughness and wettability. Our method offers a practical and efficient means of enhancing the wettability and the tribological performance of the titanium-alloy surfaces.

Keywords: coefficient of friction, laser texturing, titanium alloys, wear scars, wettability

UDC: 621.7+535

    1. Nagase, T., Hori, T., Todai, M., Sun, S. H., & Nakano, T. (2019). Additive manufacturing of dense components in beta titanium alloys with crystallographic texture from a mixture of pure metallic element powders. Materials & Design, 173, 107771.doi:10.1016/j.matdes.2019.107771
    2. Gao, F., Guo, Y., Qiu, S., Yu, Y., & Yu, W. (2020). Fracture toughness of friction stir welded TA5 titanium alloy joint. Materials Science and Engineering: A, 776, 138962. doi:10.1016/j.msea.2020.138962
    3. Cui, C., Hu, B., Zhao, L., & Liu, S. (2011). Titanium alloy production technology, market prospects and industry development. Materials & Design, 32(3), 1684-1691. doi:10.1016/j.matdes.2010.09.011
    4. Pohrelyuk, I. M., Sheykin, S. E., Padgurskas, J., & Lavrys, S. M. (2018). Wear resistance of two-phase titanium alloy after deformation-diffusion treatment. Tribology International, 127, 404-411. doi:10.1016/j.triboint.2018.06.011
    5. Xie, R., Lin, N., Zhou, P., Zou, J., Han, P., Wang, Z., & Tang, B. (2018). Surface damage mitigation of TC4 alloy via micro arc oxidation for oil and gas exploitation application: Characterizations of microstructure and evaluations on surface performance. Applied Surface Science, 436, 467-476. doi:10.1016/j.apsusc.2017.12.047
    6. Vishnu, J., & Manivasagam, G. (2021). Surface modification and biological approaches for tackling titanium wear-induced aseptic loosening. Journal of Bio-and Tribo-Corrosion, 7, 1-19. doi:10.1007/s40735-021-00474-y
    7. Rautray, T. R., Narayanan, R., Kwon, T. Y., & Kim, K. H. (2010). Surface modification of titanium and titanium alloys by ion implantation. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 93(2), 581-591. doi:10.1002/jbm.b.31596
    8. Garcia-Alonso, D., Serres, N., Demian, C., Costil, S., Langlade, C., & Coddet, C. (2011). Pre-/during-/post-laser processes to enhance the adhesion and mechanical properties of thermal-sprayed coatings with a reduced environmental impact. Journal of Thermal Spray Technology, 20, 719-735. doi:10.1007/s11666-011-9629-x
    9. Luo, Y., Jiang, H., Cheng, G., & Liu, H. (2011). Effect of carburization on the mechanical properties of biomedical grade titanium alloys. Journal of Bionic Engineering, 8(1), 86-89. doi:10.1016/S1672-6529(11)60004-8
    10. Karimoto, T., & Nishimoto, A. (2019). Simultaneous boronizing and carburizing of titanium via spark plasma sintering. Materials Transactions, 60(11), 2387-2391. doi:10.2320/matertrans.L-M2019838
    11. Morozow, D., Barlak, M., Werner, Z., Pisarek, M., Konarski, P., Zagórski, J., Rucki,M., Chałko, L., Łagodziński, M., Narojczyk, J., Krzysiak, Z. & Caban, J. (2021). Wear resistance improvement of cemented tungsten carbide deep-hole drills after ion implantation. Materials, 14(2), 239. doi:10.3390/ma14020239
    12. Bhosale, D. G., Prabhu, T. R., & Rathod, W. S. (2020). Sliding and erosion wear behaviour of thermal sprayed WC-Cr3C2-Ni coatings. Surface and Coatings Technology, 400, 126192. doi:10.1016/j.surfcoat.2020.126192
    13. Sahu, J. N., & Sasikumar, C. (2019). Development of hard and wear resistant surface coating on Ni-Cr-Mo steel by surface mechano-chemical carburization treatment (SMCT). Journal of Materials Processing Technology, 263, 285-295. doi:10.1016/j.jmatprotec.2018.08.027
    14. Cheng, G., Guo, F., E, J., Zhao, G., Zhang, Z., & Jia, X. (2022). Influence of surface morphology parameters of steel on tribological properties between glass‐fiber‐reinforced polytetrafluoroethylene composites and steel under dry‐friction and oil‐lubrication conditions. Polymer Composites, 43(3), 1383-1394. doi:10.1002/pc.26456
    15. Guo,J., Wang, F., Liou, J. J. and Liu,Y. (2022). Tribological properties of picosecond laser-textured titanium alloys under different lubrication conditions. Ukrainian Journal of Physical Optics, 23(4), 243-255. doi:10.3116/16091833/23/4/243/2022
    16. Zhan, X., Yi, P., Liu, Y., Xiao, P., Zhu, X., & Ma, J. (2020). Effects of single-and multi-shape laser-textured surfaces on tribological properties under dry friction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 234(7), 1382-1392. doi:10.1177/0954406219892294
    17. Kumar, M., Ranjan, V., & Tyagi, R. (2020). Effect of shape, density, and an array of dimples on the friction and wear performance of laser textured bearing steel under dry sliding. Journal of Materials Engineering and Performance, 29, 2827-2838. doi:10.1007/s11665-020-04816-8
    18. Li, J., Liu, S., Yu, A., & Xiang, S. (2018). Effect of laser surface texture on CuSn6 bronze sliding against PTFE material under dry friction. Tribology International, 118, 37-45. doi:10.1016/j.triboint.2017.09.007
    19. Sun, J., Yi, P., Jia, H. Y., Yang, X. S., Shi, Y. J., Liu, Y., & Hao, M. (2022). Effects of morphology parameters of sinusoidal texture on tribological properties under dry friction. Industrial Lubrication and Tribology, 74(2), 219-227. doi:10.1108/ILT-08-2021-0298
    20. Gaikwad, A., Vázquez-Martínez, J. M., Salguero, J., & Iglesias, P. (2022). Tribological properties of Ti6Al4V titanium textured surfaces created by laser: Effect of dimple density. Lubricants, 10(7), 138. doi:10.3390/lubricants10070138
    21. Xue, X., Lu, L., Wang, Z., Li, Y., & Guan, Y. (2021). Improving tribological behavior of laser textured Ti-20Zr-10Nb-4Ta alloy with dimple surface. Materials Letters, 305, 130876. doi:10.1016/j.matlet.2021.130876
    22. Stalder, A. F., Melchior, T., Müller, M., Sage, D., Blu, T., & Unser, M. (2010). Low-bond axisymmetric drop shape analysis for surface tension and contact angle measurements of sessile drops. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 364(1-3), 72-81. doi:10.1016/j.colsurfa.2010.04.040
    23. Bormashenko, E., Bormashenko, Y., Stein, T., Whyman, G., & Bormashenko, E. (2007). Why do pigeon feathers repel water? Hydrophobicity of pennae, Cassie-Baxter wetting hypothesis and Cassie-Wenzel capillarity-induced wetting transition. Journal of colloid and interface science, 311(1), 212-216. doi:10.1016/j.jcis.2007.02.049
    24. Yu, A., Niu, W., Hong, X., He, Y., Wu, M., Chen, Q., & Ding, M. (2018). Influence of tribo-magnetization on wear debris trapping processes of textured dimples. Tribology International, 121, 84-93. doi:10.1016/j.triboint.2018.01.046
    25. Koura, M. M. (1980). The effect of surface texture on friction mechanisms. Wear, 63(1), 1-12. doi:10.1016/0043-1648(80)90069-1
    26. Wang, J., Xue, W., Gao, S., Li, S., & Duan, D. (2021). Effect of groove surface texture on the fretting wear of Ti-6Al-4V alloy. Wear, 486, 204079. doi:10.1016/j.wear.2021.204079
    27. Qin, L., Yang, H., Ni, Y., & Dong, G. (2022). Fabricating fluorosilane self-assembled molecular film on Babbitt alloy and its tribological performance. Industrial Lubrication and Tribology, 74(4), 402-410. doi:10.1108/ILT-08-2021-0322
    28. Segu, D. Z., & Hwang, P. (2015). Friction control by multi-shape textured surface under pin-on-disc test. Tribology International, 91, 111-117. doi:10.1016/j.triboint.2015.06.028
    29. Guo, Z., Xie, X., Yuan, C., & Bai, X. (2019). Study on influence of micro convex textures on tribological performances of UHMWPE material under the water-lubricated conditions. Wear, 426, 1327-1335. doi:10.1016/j.wear.2019.01.010
    30. Huang, J., Wei, S., Zhang, L., Shen, Z., Yang, Y., Yang, S., Lin,X., & Zhang, J. (2020). Preparation of Superhydrophobic 35CrMo Surface and Its Tribological Properties in Water Lubrication. JOM, 72, 368-372. doi:10.1007/s11837-019-03688-1
    31. Krbata, M., Eckert, M., Majerik, J., & Barenyi, I. (2020). Wear behaviour of high strength tool steel 90MnCrV8 in contact with Si3N4. Metals, 10(6), 756. doi:10.3390/met10060756
    32. Jung, Y. C., & Bhushan, B. (2006). Contact angle, adhesion and friction properties of micro-and nanopatterned polymers for superhydrophobicity. Nanotechnology, 17(19), 4970. doi:10.1088/0957-4484/17/19/033

    Розроблено гнучке та ефективне рішення для поліпшення характеристик і продовження терміну служби титанового сплаву Ti6–Al4–V. Це рішення засноване на поєднанні комерційно доступної техніки створення структури на поверхні металу на основі наносекундного лазера та «самозбірної» модифікації методу нанесення молекулярної плівки. За допомогою лазерної обробки на поверхню титанового сплаву нанесено періодичні масиви ямок різної щільності та глибини. Морфологія поверхні, шорсткість і хімічний склад наших зразків проаналізовано за допомогою сканувальної електронної мікроскопії та конфокальної мікроскопії. Крім того, змочуваність поверхні модифікованого титанового сплаву оцінено за допомогою вимірювача контактного кута, що дало максимальний кут контакту 153,2°. Коефіцієнт тертя виміряно за допомогою трибометра, а механізм зношування проаналізовано шляхом вивчення морфології поверхні. В умовах сухого ковзання та змащування водою середній коефіцієнт тертя зменшується відповідно більш ніж на 20% та на 60% порівняно зі значенням, притаманним для початкової поверхні. Це зменшення пояснено зміною шорсткості поверхні та змочуваністю. Наш метод пропонує практичний і ефективний засіб підвищення змочуваності та поліпшення трибологічних характеристик поверхонь титанового сплаву.

    Ключові слова: коефіцієнт тертя, лазерне текстурування, титанові сплави, сліди зношування, змочуваність

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©