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通过激光表面纹理化减少摩擦力，提高滑动表面的运动效率
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     摩擦和磨损以及其他摩擦学接触引起的能量损失占世界能源消耗的23％。这个数字证明了减少摩擦和磨损的技术的需求。精准的激光表面纹理化可以在滑动表面上形成微米级别的特征，显著降低摩擦系数，并提高零件的使用寿命，增加其耐磨性。然而，该技术在工业中加工时存在一些限制。这些限制部分与设备成本有关，因为所需表面特征的质量通常需要使用昂贵的超短脉冲激光源。此外，激光表面纹理化的速度可能导致处理时间过长。


     在这项研究中，我们展示了一种基于经济实惠的亚纳秒（ns）近红外（NIR）光纤激光源的新型激光表面纹理化方法。该基于激光的方法表明具有摩擦减小和增加耐磨性的效果，进而导致零件的效率增加和使用寿命延长（例如，活塞）。表面图案由微米级尺寸的凹坑和槽组成，其深度和宽度可控在几十微米的范围内（见图1）。


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图1. 激光表面图案的示意图


测量数据


     激光表面处理过程会熔化材料，可能形成在凹洞周围堆积的边缘层（图1）。该熔化层边缘的高度（h1）若存在，对于最终应用至关重要，因为滑动表面之间可能有最大允许高度小于1微米的严格的制造容差。此外，凹洞的深度（h2）也是相关的：在大多数情况下，需要以精度优于1微米进行测量（图2）。


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图2. 激光表面处理过程的示意图

（h1是熔融层的高度, h2是凹坑的深度）


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图3. 活塞上滑动表面之间允许的最大高度的示意图

过去，扫描电子显微镜和光学显微镜被用于检查激光微加工表面的高度轮廓。现如今，光学计量技术，如共聚焦、干涉和多焦面叠加，能够以更快的速度和足够的分辨率评估来研究新的激光微加工程序。


然而，考虑到各种不同材料和表面类型（抛光与未抛光，光滑与粗糙，高反射与低反射材料等），每种光学技术只适用于特定情况。这是为什么选择3D光学轮廓仪S lynx进行此项工作的主要原因之一。该特性使得可以快速评估各种类型的表面。


本研究使用的样本是灰铸铁汽缸（图4），广泛应用于内燃机、汽缸体、泵和压缩机等领域。汽缸经过研磨预处理，并切成每个样本段30°以进行检查。在每种技术中研究采集设置后，放大50倍的共聚焦技术被发现是适合本研究的。


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图4. 本研究中使用样本的示例


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图5. 应用激光纹理化技术后的灰铸铁圆柱体段的表面形貌，使用S lynx共聚焦模式和10倍放大率进行测量（左图），以及50倍放大率（右图）


比较了新型激光纹理化工艺与标准方法的结果如图6所示。可以看出，新方法在再沉积材料高度方面的减少小于1微米，而标准方法中这个数值是两倍。进一步的分析还表明，摩擦系数也降低了约25%。


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图6. 上排：使用标准激光纹理化方法得到的3D拓扑图和2D轮廓。下排：使用新的激光纹理化方法得到的3D拓扑图和2D轮廓。


结论


     S lynx具有准确、快速和易于使用的特点，已被证明是一种调查新型激光表面纹理方法的有效工具。3D光学轮廓测量技术允许定性和定量分析，尤其共聚焦技术已被证明是一种有效的方法，用于调查和表征在激光过程中凹陷孔的深度、直径以及重新沉积材料的高度。这种新方法在激光过程优化后提供了一个几乎不存在高度且没有重新沉积材料的表面。此外，还实现了大约25%的摩擦系数（COF）的降低。进一步的研究可以考虑使用自动检测和分析软件，以便自动提取先前的感兴趣参数（例如插件孔、SensoPRO软件）。