一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面及其制备方法

本申请涉及表面微结构加工与仿生减阻，尤其涉及一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面及其制备方法。

背景技术：

1、船舶、水下航行器、流体输送管道以及泵叶轮等设备在水下或液体环境中工作时，流体与固体壁面之间会产生摩擦阻力。该摩擦阻力会增加设备运行能耗，并影响航行速度、输送效率或流体机械的工作效率。因此，在金属构件表面构建具有减阻作用的表面结构，是降低水下摩擦阻力的一种重要技术方向。

2、自然界中，部分水生生物体表具有规则排列的微结构。例如，鲨鱼、鲭鲨等快速游动生物的体表具有鳞片状或沟槽状微结构，该类结构能够在一定程度上改变近壁面流体的流动状态。受此启发，相关技术中已有通过激光刻蚀、化学刻蚀、压印、喷涂、贴附柔性膜等方式在基材表面形成仿生沟槽、肋条或鳞片状纹理的方案，也有在基材表面施加低表面能涂层以降低固液界面摩擦的方案。

3、但是，现有仿生减阻表面仍存在一些不足。一方面，激光刻蚀、化学刻蚀或微纳加工工艺对设备和工艺条件要求较高，在大面积金属构件表面加工时，容易受到加工效率、成本和材料适应性的限制；采用贴膜或转印方式形成的仿生表面，则容易引入膜层与金属基材之间的结合界面，在长期水流冲刷或弯曲服役条件下存在脱附风险。另一方面，部分沟槽结构为平底槽、尖角槽或v形槽，槽底与槽壁之间存在较明显的几何突变，涂层在该位置容易出现局部堆积或覆盖不连续，且沟槽交汇处的形貌也不易保持一致。

4、此外，现有技术中也存在单纯依靠表面沟槽结构减阻或单纯依靠低表面能涂层减阻的方案。单一沟槽结构的减阻效果与流向、槽形和表面状态密切相关，当沟槽方向与实际流体流动方向不匹配时，减阻效果容易下降；单一低表面能涂层虽然能够改变表面润湿性，但若缺少与流体方向对应的微结构导流单元，其对近壁流场的调控能力有限，并且涂层磨损后减阻性能容易衰减。

技术实现思路

1、本申请的一个目的是提供一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面及其制备方法，至少用以解决上述问题。

2、为实现上述目的，本申请的一些实施例提供了一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面的制备方法，包括：

3、对金属基材表面进行清洁预处理；

4、采用球头铣刀在所述金属基材表面进行三向交叉铣削加工，所述球头铣刀的球面切削刃在所述金属基材表面形成圆弧形截面的沟槽；

5、所述三向交叉铣削加工包括：沿位于设定流体流动方向一侧并与所述设定流体流动方向成第一夹角的第一斜向走刀，形成第一斜向圆弧形沟槽阵列；沿位于所述设定流体流动方向另一侧并与所述设定流体流动方向成第二夹角的第二斜向走刀，形成第二斜向圆弧形沟槽阵列；以及沿所述设定流体流动方向走刀，形成纵向圆弧形沟槽阵列；

6、其中，所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、第二斜向圆弧形沟槽阵列和纵向圆弧形沟槽阵列相互交汇，使三组沟槽之间未被铣削去除的区域形成菱形凸起阵列，且所述菱形凸起阵列中各菱形凸起的长对角线沿所述设定流体流动方向布置；

7、在所述菱形凸起阵列以及所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、第二斜向圆弧形沟槽阵列和纵向圆弧形沟槽阵列的表面施加低表面能氟聚合物涂层，得到所述水下减阻表面。

8、本申请的一些实施例提供了一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面，包括：

9、金属基材，所述金属基材具有用于与水下流体接触的减阻表面；

10、第一斜向圆弧形沟槽阵列、第二斜向圆弧形沟槽阵列和纵向圆弧形沟槽阵列，均形成于所述减阻表面；

11、以及低表面能氟聚合物涂层，覆盖于所述减阻表面；

12、其中，所述第一斜向圆弧形沟槽阵列包括多条第一斜向圆弧形沟槽，各所述第一斜向圆弧形沟槽相对于设定流体流动方向向第一侧倾斜，并与所述设定流体流动方向成第一夹角；

13、所述第二斜向圆弧形沟槽阵列包括多条第二斜向圆弧形沟槽，各所述第二斜向圆弧形沟槽相对于所述设定流体流动方向向第二侧倾斜，并与所述设定流体流动方向成第二夹角；

14、所述纵向圆弧形沟槽阵列包括多条沿所述设定流体流动方向延伸的纵向圆弧形沟槽；

15、所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、所述第二斜向圆弧形沟槽阵列和所述纵向圆弧形沟槽阵列相互交汇，以在所述减阻表面上限定出菱形凸起阵列；

16、所述菱形凸起阵列包括多个菱形凸起，各所述菱形凸起由所述第一斜向圆弧形沟槽、所述第二斜向圆弧形沟槽和所述纵向圆弧形沟槽之间未被去除的金属基材区域构成，且各所述菱形凸起的长对角线沿所述设定流体流动方向布置；

17、所述第一斜向圆弧形沟槽、所述第二斜向圆弧形沟槽和所述纵向圆弧形沟槽的横截面均呈圆弧形；

18、所述低表面能氟聚合物涂层覆盖所述菱形凸起的顶面和侧面，并覆盖所述第一斜向圆弧形沟槽、所述第二斜向圆弧形沟槽和所述纵向圆弧形沟槽的槽底和槽壁。

19、与相关技术相比，本申请实施例提供的方案中，通过清洁预处理先去除金属基材表面的油污、颗粒及加工残留，使后续球头铣削时刀具与基材表面之间的接触状态更稳定，减少因表面杂质导致的沟槽边缘毛刺或局部崩边。采用球头铣刀进行三向交叉铣削加工时，球面切削刃能够在金属基材表面直接形成圆弧形截面的沟槽，相较于尖角槽或矩形槽，圆弧形槽底在流体经过时不易形成突变台阶，沟槽内的流体过渡较为连续。第一斜向圆弧形沟槽阵列、第二斜向圆弧形沟槽阵列和纵向圆弧形沟槽阵列相互交汇后，三组沟槽之间保留的未切削区域形成菱形凸起阵列，并使各菱形凸起的长对角线沿设定流体流动方向布置。由此，菱形凸起能够沿流动方向对近壁流体进行分区引导，斜向沟槽和纵向沟槽则分别对横向扰动和顺流向流动提供约束路径。进一步在菱形凸起阵列及各沟槽表面施加低表面能氟聚合物涂层后，涂层覆盖在已成型的三维微结构表面，使流体接触界面同时具有几何导流结构和低表面能界面，避免仅依赖单一沟槽结构或单一涂层时对流动条件、涂层磨损较为敏感的问题。

1.一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一斜向走刀的走刀方向和所述第二斜向走刀的走刀方向关于所述设定流体流动方向对称设置。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相等，且所述第一夹角和所述第二夹角均为30°或均为60°。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一斜向圆弧形沟槽阵列和所述第二斜向圆弧形沟槽阵列交汇形成沿所述设定流体流动方向排列的多个菱形边界，所述纵向圆弧形沟槽阵列沿所述设定流体流动方向延伸，并穿过相邻菱形边界之间的区域，以使所述菱形凸起阵列沿所述设定流体流动方向间隔排列。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述菱形凸起阵列中的相邻菱形凸起之间由所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、所述第二斜向圆弧形沟槽阵列和所述纵向圆弧形沟槽阵列共同限定。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、所述第二斜向圆弧形沟槽阵列和所述纵向圆弧形沟槽阵列中的各圆弧形沟槽均具有由所述球头铣刀的球面切削刃形成的圆弧形槽底。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一斜向走刀、所述第二斜向走刀和沿所述设定流体流动方向走刀采用同一球头铣刀加工，且三者的下刀深度相同、行距相同。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低表面能氟聚合物涂层覆盖所述菱形凸起阵列的顶面、侧面以及所述第一斜向圆弧形沟槽阵列、所述第二斜向圆弧形沟槽阵列和所述纵向圆弧形沟槽阵列的槽壁。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述低表面能氟聚合物涂层覆盖各圆弧形沟槽的槽底和槽壁，并在相邻菱形凸起之间的沟槽区域形成连续涂覆层。

10.一种球头铣削仿生菱形鳞片减阻表面，其特征在于，包括：