Tailoring surface properties of metals by laser texturing: wettability control and guided degradation for biomedical applications

Abstract

The present project addresses the use of laser texturing treatments for the control of surface properties of metallic materials. Particularly, the capability of the technique for controlling the surface wettability and aqueous degradation will be studied. The control of surface wettability is very interesting for the development of self-cleaning surfaces, optimization of heat transfer in heat exchangers, drag reduction in pipes or boat hulls or the development of systems for dew harvesting as an alternative water source. Several previous studies demonstrate the efficacy of the laser texturing technique for modifying the wettability of metallic surfaces. Wettability control of 304 stainless steel surfaces will be addressed here. Particularly, the effect of the processing atmosphere, key property determining the surface composition of the textured surfaces, will be studied. In combination with the generation of micro and nano topography features, inherent to the laser texturing technique, the control of the surface composition would allow the control of the resulting wettability. Surface wettability will be evaluated via measurements of contact angle and hysteresis, relating them to the topography and surface composition characterization. After selecting a suitable processing atmosphere, by the adjustment of the processing parameters the generation of superhydrophobic and superhydrophilic surfaces will be pursued. Finally, the applicability of the obtained results for maximizing the performance of dew water harvesting surfaces via condensation phenomena will be evaluated. The control of corrosion phenomena in aqueous media finds application in sacrificial anodes for cathodic protection of metallic structures, the development of batteries or in the manufacturing of degradable implants for biomedical applications. Several previous studies demonstrate the efficacy of laser surface treatments for reducing the usually excessive degradation rate of magnesium. The control of the degradation in saline solutions of the AZ31 magnesium alloy will be addressed here. Particularly, the effect of the pulse length, key property determining the thermal effects and the microstructural changes induced in the material, will be studied. The control of those changes as well as of its distribution through the surface would allow the control of the resulting degradation rate. The corrosion rate will be quantified through immersion tests in saline solutions and electrochemical techniques, relating the to the topography, microstructure and composition modifications induced during the treatment. After selecting the proper pulse length, by the adjustment of the processing parameters the development of treatments for achieving a guided degradation will be attempted. Finally, the applicability of the obtained results for the development of guided degradation implants in biomedical applications will be evaluated.

O presente proxecto aborda o uso de tratamentos de texturado láser para o control de propiedades superficiais de materiais metálicos. En concreto, estudarase a capacidade da técnica para controlar a mollabilidade superficial e a degradación en medios acuosos O control da mollabilidade superficial é de grande interese para o desenvolvemento de superficies autolimpiables, optimización da transferencia de calor en intercambiadores, a redución da fricción en tubos ou cascos de barco e o desenvolvemento de sistemas para a captación de orballo como fonte alternativa de auga. Varios estudos previos demostran a eficacia da técnica de texturado láser para modificar a mollabilidade de superficies metálicas. Abordarase aquí o control da mollabilidade de superficies de aceiro inoxidable 304. En concreto, estudarase en detalle o efecto da atmosfera de procesamento, chave na determinación da composición superficial das mostras texturadas. Xunto ca xeración de micro e nano topografías inherente á técnica de texturado láser, o control da composición superficial permitiría controlar a mollabilidade resultante. Avaliarase a mollabilidade superficial mediante medidas de ángulo de contacto e histérese e se relacionará ca caracterización da topografía e composición superficiais. Seleccionada a atmosfera de procesamento axeitada, mediante o axuste dos parámetros de procesamento buscarase a xeración de superficies superhidrofílicas e superhidrofóbicas. Por último, avaliarase a aplicabilidade dos resultados obtidos para maximizar o desempeño de superficies para a captación de auga de orballo mediante fenómenos de condensación. O control de fenómenos de corrosión en medio acuoso do magnesio ten aplicacións en ánodos de sacrificio para protección catódica de estruturas metálicas, no desenvolvemento de baterías o na fabricación de implantes degradables para aplicacións biomédicas. Varios estudos previos demostran a eficacia de tratamentos superficiais con láser para reducir a normalmente excesiva velocidade de degradación do magnesio. Abordarase aquí o control da degradación en solucións salinas da aliaxe de magnesio AZ31. En concreto, estudarase en detalle o efecto do tempo de pulso, chave na determinación dos efectos térmicos e cambios na microestrutura inducidos no material. O control destes cambios así como da súa distribución na superficie permitiría controlar a velocidade de degradación resultante. Cuantificarase a velocidade de corrosión mediante tests de inmersión en solucións salinas e técnicas electroquímicas, relacionándoas cas modificacións en topografía, microestrutura e composición inducidas durante o tratamento. Seleccionando o tempo de pulso axeitado, mediante o control dos parámetros de procesamento tentarase o desenvolvemento de tratamentos para conseguir unha degradación guiada. Por último, avaliarase a aplicabilidade dos resultados obtidos para o desenvolvemento de implantes con degradación guiada en aplicacións biomédicas.

El presente proyecto aborda el uso de tratamientos de texturizado láser para el control de propiedades superficiales de materiales metálicos. En concreto, se estudiará la capacidad de la técnica para controlar la mojabilidad superficial y la degradación en medios acuosos. El control de la mojabilidad superficial es de gran interés para el desarrollo de superficies autolimpiables, optimización de la transferencia de calor en intercambiadores, la reducción de la fricción en tuberías o cascos de barco o el desarrollo de sistemas para la captación de rocío como fuente alternativa de agua. Varios estudios previos demuestran la eficacia de la técnica del texturizado láser para modificar la mojabilidad de superficies metálicas. Se abordará aquí el control de la mojabilidad de superficies de acero inoxidable 304. En concreto, se estudiará en detalle el efecto de la atmósfera de procesamiento, clave en la determinación de la composición superficial de las muestras texturizadas. Junto con la generación de micro y nano topografías inherentes a la técnica del texturizado láser, el control de la composición superficial permitiría controlar la mojabilidad resultante. Se evaluará la mojabilidad superficial mediante medidas de ángulo de contacto e histéresis y se relacionará con la caracterización de topografía y composición superficial. Seleccionada la atmósfera de procesamiento adecuada, mediante el ajuste de los parámetros de procesamiento se buscará la generación de superficies superhidrofílicas y superhidrofóbicas. Por último, se evaluará la aplicabilidad de los resultados obtenidos para maximizar el desempeño de superficies para la captación de agua de rocío mediante fenómenos de condensación. El control de fenómenos de corrosión en medio acuoso del magnesio tiene aplicaciones en ánodos de sacrificio para protección catódica de estructuras metálica, en el desarrollo de baterías o en la fabricación de implantes degradables para aplicaciones biomédicas. Varios estudios previos demuestran la eficacia de tratamientos superficiales con láser para reducir la normalmente excesiva velocidad de degradación del magnesio. Se abordará aquí el control de la degradación en soluciones salinas de la aleación de magnesio AZ31. En concreto se estudiará en detalle el efecto del tiempo de pulso, clave en la determinación de los efectos térmicos y cambios microestructurales inducidos en el material. El control de estos cambios así como de su distribución en la superficie permitiría controlar la velocidad de degradación resultante. Se cuantificará la velocidad de corrosión mediante tests de inmersión en soluciones salinas y técnicas electroquímicas, relacionándolas con las modificaciones en topografía, microestructura y composición inducidas durante el tratamiento. Seleccionado el tiempo de pulso adecuado, mediante el control de los parámetros de procesamiento se intentarán desarrollar tratamientos para conseguir una degradación guiada. Por último, se evaluará la aplicabilidad de los resultados obtenidos para el desarrollo de implantes con degradación guiada en aplicaciones biomédicas.