通過(guò)激光表面毛化減少摩擦，從而獲得高效的表面滑動(dòng)動(dòng)作

共聚焦技術(shù)已被證明是一種行之有效的技術(shù)，可用于研究和表征凹痕的深度和直徑，更重要的是，在激光加工開(kāi)發(fā)過(guò)程中，它同樣適用于研究和表征凹痕周?chē)脑俪练e材料高度

因滑動(dòng)表面和其他摩擦接觸件的摩擦和磨損造成的能量損失占全球能耗的 23%。¹ 1-. Holmberg, K. & Erdemir, A. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263–284 (2017).這個(gè)數(shù)字表明我們迫切需要能夠減輕摩擦和磨損的技術(shù)。針對(duì)滑動(dòng)表面上微米級(jí)特征的精確激光表面毛化顯示出摩擦系數(shù)顯著降低，同時(shí)由于增加耐磨性而延長(zhǎng)了零件的使用壽命。 ^2-3 2-.Vladescu, S., Olver, A., Pegg, I. & Reddyhoff, T. 通過(guò)激光表面毛化減少往復(fù)接觸中的摩擦和磨損.Wear 358–359, 51–61（2016).3-.Schneider, J., Braun, D. & Greiner, C. 用于混合潤(rùn)滑的激光紋理表面：長(zhǎng)寬比、紋理區(qū)域和凹陷排列的影響。Lubricants 5, 32–46（2017).但是，存在一些限制條件可能會(huì)阻礙該技術(shù)被運(yùn)用在工業(yè)領(lǐng)域中。這一部分是與設(shè)備的成本有關(guān)，因?yàn)楸砻嫣卣魉璧馁|(zhì)量通常意味著要使用昂貴的超短脈沖激光源。另外，激光表面毛化速度可能導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的處理時(shí)間。

                                                                                                  圖 1.激光表面模式示意圖。

激光表面毛化過(guò)程會(huì)熔化材料，而熔化掉的材料可能會(huì)堆積在凹痕周?chē)蔀榫壯兀?/span>圖 1）。熔融層緣的高度 (h1) 對(duì)最終應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)榭赡艽嬖诜浅＞o密的制造公差，即滑動(dòng)面之間的最大允許高度不到 1 微米。此外，凹痕的深度 (h2) 也很重要：在大多數(shù)情況下，必須以 1 微米以上的精確度測(cè)量其形貌（高度）（圖 2）。

                                               圖 2.激光毛化過(guò)程示意圖。h1 為熔融層高度；h2 為凹痕深度

                                                                             圖 3.活塞滑動(dòng)面之間最大允許高度示意圖

過(guò)去，我們使用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡來(lái)檢查激光微加工表面的表面高度輪廓。如今，諸如共聚焦、干涉測(cè)量和多焦面疊加等光學(xué)測(cè)量技術(shù)讓我們可以用更高的速度和足夠的分辨率對(duì)新的激光微加工程序進(jìn)行評(píng)估和研究。

但是，考慮到材料和表面類(lèi)型的多樣性（拋光與不拋光、光滑與粗糙、高反射率與低反射率材料等），每種光學(xué)技術(shù)的適用情況仍受到一定限制。這也是選擇 3D 光學(xué)輪廓儀 S lynx 進(jìn)行這項(xiàng)工作的主要原因之一。此功能可快速評(píng)估各種表面。

                                                                                                  圖 4.本研究中使用的樣品示例

本研究中使用的樣品為灰鑄鐵氣缸（圖 4），這種氣缸被廣泛用于內(nèi)燃機(jī)、氣缸體、泵和壓縮機(jī)等。通過(guò)珩磨工藝對(duì)氣缸進(jìn)行預(yù)處理，并將氣缸切成 30o 的樣品段，以用于檢查。在研究了每種技術(shù)的最佳采集設(shè)置之后，我們發(fā)現(xiàn)放大倍率為 50 倍的共聚焦技術(shù)是***此研究的技術(shù)。

圖 5.經(jīng)激光毛化的灰鑄鐵氣缸片段的表面形貌，使用 S ly 在共聚焦模式下進(jìn)行測(cè)量，放大倍率分別為 10 倍（左）和 50 倍（右）

圖 6 中將新的激光毛化過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了比較。可以看出，新方法顯示出，再沉積材料的高度被降低到 1 µm 以下，而在標(biāo)準(zhǔn)方法中，這個(gè)值提高了兩倍。進(jìn)一步的分析還表明，摩擦系數(shù)降低了約 25%。

圖 6.頂行：使用標(biāo)準(zhǔn)激光毛化方法獲得的 3D 形貌和 2D 輪廓。底行：使用新的激光毛化方法獲得的 3D 形貌和 2D 輪廓

3D 光學(xué)輪廓儀 S lynx 已被證明是研究新的激光表面毛化方法的一種準(zhǔn)確、快速且易于使用的工具。3D 光學(xué)輪廓儀可以進(jìn)行定性和定量分析，特別是，共聚焦技術(shù)已被證明是一種行之有效的技術(shù)，可用于研究和表征凹痕的深度和直徑，更重要的是，在激光加工開(kāi)發(fā)過(guò)程中，它同樣適用于研究和表征凹痕周?chē)脑俪练e材料高度。

新方法提供了最佳表面，其高度幾乎為零的，并且在經(jīng)過(guò)激光工藝優(yōu)化（包括將摩擦系數(shù) (COF) 降低約 25%）后沒(méi)有再沉積材料。進(jìn)一步的研究可能會(huì)考慮使用自動(dòng)檢測(cè)和分析軟件（即，插入式 Hole、SensoPRO 軟件、Sensofar），其中將自動(dòng)提取所有之前的感興趣的參數(shù)。