Estudio de la interacción de una burbuja de cavitación con una superficie texturizada con estructuras periódicas inducidas por láser

Abstract

La erosión por cavitación es un fenómeno que ocurre en sistemas hidráulicos como bombas de agua, hélices de barcos y otros similares, donde la energía cinética generada por las burbujas de cavitación daña las superficies metálicas. Este efecto ha sido objeto de estudio durante décadas, y se han implementado diversas estrategias para mitigar los daños, como el uso de recubrimientos, aunque estos suelen ser costosos y generan un impacto ambiental considerable. Con el avance de las nuevas tecnologías, las técnicas con láser han adquirido un protagonismo creciente en la industria moderna, haciéndolas cada vez más atractivas para la solución de diversos problemas. La exposición de una superficie sólida y lisa al láser provoca cambios en la estructura superficial del material, lo que se conoce como Estructura Superficial Inducida por Láser (LIPSS), por sus siglas inglés. En esta investigación, se llevó a cabo un análisis experimental en el que se utilizó un láser pulsado de femtosegundos para generar LIPSS en láminas de cobre (Cu) y latón. Posteriormente, se emplearon láseres pulsados de nanosegundos para formar burbujas de cavitación sobre dichas muestras, con el fin de determinar por qué las superficies con LIPSS son más resistentes a la erosión por cavitación. Como resultado del estudio se observó que la polarización del láser influye no solo en la formación de LIPSS, sino también en las reacciones químicas en el material irradiado. Además, se detectó una disminución general en la dureza de las muestras irradiadas, lo que indica que la formación de LIPSS induce cambios en la microestructura del material, haciéndolo menos resistente a la deformación. Las LIPSS modifican la interacción de las burbujas de cavitación con la superficie, afectando la forma del chorro, el radio y la vida de la burbuja antes del colapso. Finalmente, se demostró que el área dañada por la cavitación es menor en superficies con LIPSS en comparación con superficies lisas, lo que se atribuye a la capacidad de las LIPSS para dispersar la energía del colapso de la burbuja, distribuyéndola de manera más uniforme y reduciendo así el impacto concentrado que normalmente causaría una erosión severa en superficies lisas.

Cavitation erosion is a phenomenon that occurs in hydraulic systems such as water pumps, ship propellers, and similar applications, where the kinetic energy generated by cavitation bubbles damages metal surfaces. This effect has been studied for decades, and various strategies have been implemented to mitigate the damage, such as the use of coatings, although these are often costly and have a considerable environmental impact. With the advancement of new technologies, laser techniques have gained increasing prominence in modern industry, making them increasingly attractive for solving various problems. The exposure of a solid, smooth surface to laser irradiation induces changes in the material's surface structure, known as Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). In this investigation, an experimental analysis was conducted using a femtosecond pulsed laser to generate LIPSS on copper (Cu) and brass sheets. Subsequently, nanosecond pulsed lasers were employed to form cavitation bubbles near these samples, to determine why surfaces with LIPSS are more resistant to cavitation erosion. As a result of the study, it was observed that laser polarization influences not only the formation of LIPSS but also the chemical reactions in the irradiated material. Additionally, a general decrease in the hardness of the irradiated samples was detected, indicating that the formation of LIPSS induces changes in the material's microstructure, making it less resistant to deformation. LIPSS also modify the interaction of cavitation bubbles with the surface, affecting the shape of the jet, the radio, and the lifetime of the bubble before collapse. Finally, it was demonstrated that the area damaged by cavitation is smaller on surfaces with LIPSS compared to smooth surfaces, which is attributed to the ability of LIPSS to disperse the energy of the bubble collapse, distributing it more evenly and thus reducing the concentrated impact that would typically cause severe erosion on smooth surfaces.