CN109940273B - 一种激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法，利用三光束激光干涉，在40Cr轴承钢表面刻蚀等边三角形阵列分布的微米级圆形凹坑织构结构，在接触摩擦过程中形成无数个微空气穴，重载条件下有利于提高油膜厚度，减小摩擦表面实际接触面积，同时使摩擦过程中产生的磨损颗粒进入凹坑，减少颗粒磨损。微织构化40Cr轴承钢在重载条件下优化了摩擦表面润滑条件，减小摩擦系数，提高其摩擦学性能。

Description

一种激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法，利用三光束激光干涉纳米光刻技术直接在40Cr轴承钢表面制备微米级织构化表面结构，降低摩擦系数，提高摩擦学特性。

技术背景

重载接触运动作为一种常见工作状态广泛存在于机械系统中，承重材料的稳定性在增强负载，保证运行精度及延长使用寿命起到至关重要的作用。重载工作时，承重材料会产生弹性形变，增加实际接触面积，增加损耗。同时，重载摩擦会使接触表面温度升高，不利于形成润滑油膜，使承重材料发生腐蚀。随着材料工程学和机械系统设计与制造技术的发展，织构化改性技术广泛应用于增强重载承重结构中各零部件接触面的摩擦学性能。40Cr是广泛应用的重载轴承钢材料之一，利用微织构化改性的方法提高40Cr轴承钢摩擦学性能已经得到了广泛关注。

表面和界面是实现材料功能性的窗口，表面微织构结构的构筑对提高材料的摩擦学性能有着非常重要的意义。国内外研究表明：固体材料表面的微观形貌对其摩擦学性能有直接影响，并非越光滑的表面摩擦学性能越好，合理设计的织构化凹坑微观结构能够实现良好的抗磨损及润滑作用。微织构的形状、孔径尺寸、阵列分布和织构面积占比对提高摩擦学性能起决定性作用。织构面积占比在20％-30％之间有利于改善润滑条件，在重载摩擦过程中，微米级凹坑阵列会在摩擦副接触面中间形成无数微空气穴，微空气穴减少接触面的实际接触面积，摩擦过程中产生的磨损颗粒也会通过空气穴进入微米级凹坑，减少颗粒磨损。同时无数个微米级凹坑结构起到了分散应力的作用，使重载摩擦过程中产生的应力在微区释放，从而降低摩擦和损耗。因此，表面微织构结构的构筑是优化润滑条件，提高摩擦学特性的重要手段。

织构化改性方法也得到了进一步发展，例如热处理技术，化学沉积技术，物理沉积技术和激光处理技术。热处理技术加工时间长，不适合局部加工；化学和物理沉积方法程序繁琐，加工条件苛刻，不易实现。在现有的制造方法中，激光处理应用的最为广泛，激光束能量密度高达10⁸w/cm²，耗能低，能够在极短的时间内使材料到达极高的温度，使表层材料瞬间熔化，依靠低温基体将熔池急冷，不需要冷却介质，热影响区小，可以根据机械系统的需要在材料局部或指定区域进行改性。而在激光处理技术主要包括激光直写技术，激光压印技术和激光干涉技术。激光直写技术通过单点扫描制备凹坑结构，速度慢，不适合大面积制备，制备结构孔径尺寸为几十微米至几百微米，不适合高精度大面积加工。激光压印技术利用掩模可大面积制备孔径尺寸在几百纳米到几十微米的结构，但是掩模成本高，不适合曲面加工。而纳秒激光干涉形成微织构化结构在表面改性方面具有其他技术不可替代的潜力及优势。其加工过程无需掩模，一次性曝光大视场，可以直接在各种平面或曲面造型的高硬度金属表面制备大面积周期性三维微织构结构，相对于激光直写等其他方法，具有高精度、高效率和可控性好的优势。织构化微米凹坑结构对制备工艺有很高的要求，微米凹坑织构结构的孔径尺寸、阵列分布和织构面积占比都会影响摩擦学性能，激光干涉具有孔径尺寸在微米级可调的优点，可以针对特定形状、孔径尺寸和阵列分布，通过软件模拟得到相应图案的干涉光强能量分布，再根据模拟结果搭建光路系统，直接在材料表面(平面或表面)刻蚀，得到与光强能量分布图案一致的高精度微织构结构。发明专利“表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节球头的方法”，专利号：ZL201510473611.2公开了一种在钴铬钼合金表面制备酒窝阵列的方法，获得周期为1-10μm，深度为0.3-6μm的酒窝结构，使摩擦系数减少64％。该方法没有明确微织构结构的阵列分布和结构占比，本发明在结构设计及制备工艺上有所改进，通过精确控制正三角形阵列分布的凹坑结构的占比，使得摩擦系数降低78％，相比64％的减少有明显提高。同时，本发明是针对40Cr轴承钢材料进行加工，对于重载下的摩擦学性能要求更高，因此具有创新性。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术效率低、精度低和成本高的不足，提供一种激光微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法，利用纳秒激光干涉方法，突破传统单点激光直写技术和激光压印技术的桎梏，提供了一种高效微织构化改性的方法，有效地提高40Cr轴承钢表面的摩擦学特性。

本发明内容为：根据目标微织构结构，呈等边三角形(边长为8μm)阵列分布的微米凹坑结构，通过MATLAB模拟出相应图案的光强能量分布图，确定三光束干涉的入射角度、空间角度和偏振角度；根据模拟结果，搭建三光束光路系统，根据入射角计算各高反镜和半反半透镜的相对位置和角度，放置1/2波片来改变光束能量密度，使三束相干光束能量密度相同；放置偏振片改变偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°；利用搭建好的三光束干涉光路系统直接刻蚀材料表面，通过控制干涉光束的光强能量密度和刻蚀时间，改变凹坑的孔径尺寸，得到孔径尺寸为3.8μm-4.2μm，织构面积占比20％-25％的微织构凹坑结构。

本发明提供一种激光微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法包括：利用软件模拟，控制相干光束的入射角度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°，空间角度为

偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°，得到重新分布的光强能量模拟图，其中，微米级凹坑图案以边长为8μm的等边三角形阵列有序分布。

根据软件模拟结果，搭建三光束光路系统。光路系统由纳秒脉冲激光器，5个高反镜M1、M2、M3、M4和M5，2个半反半透镜B1和B2组成，激光束由M1、M2、B1和M3分出第一束相干光束；由M1、M2、B1、B2和M4分出第二束相干光束；由M1、M2、B1、B2和M5分出第三束相干光束，根据入射角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°，计算出高反镜M3、M4和M5与材料的直线距离，根据空间角为

确定M3、M4和M5的空间摆放位置，使其在与样品表面平行的平面以等边三角形摆放，然后确定M1和M2，B1和B2的相对位置；3个1/2波片W1、W2和W3和3个偏振片P1、P2和P3分别放置在M3、M4和M5后面，旋转1/2波片W1、W2和W3，是三束干涉光束光强能量密度相同；旋转偏振片P1、P2和P3，使相干光束的偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°。

纳秒脉冲激光波长为1064nm，频率为10HZ，脉冲持续时间为7ns。1/2波片控制每束干涉光的光强能量密度，确定激光干涉能量分布与40Cr轴承钢相互作用的边界条件，直接在40Cr轴承钢表面刻蚀结构。

所述40Cr轴承钢表面为平面或球形曲面造型。

直接在40Cr轴承钢表面刻蚀的时间为40s-50s。

MATLAB模拟确定相干光束的数目、入射角度、空间角度和偏振角度。

三光束光路系统直接刻蚀40Cr轴承钢表面，得到与三光束干涉光强能量密度分布图案相对应的凹坑表面结构，控制干涉光强能量密度和刻蚀时间改变凹坑孔径尺寸和织构面积占比。

呈等边三角形阵列分布的微米凹坑织构结构进行摩擦系数测试，通过改变凹坑孔径尺寸和织构面积占比降低摩擦系数，提高摩擦学性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明利用激光干涉技术，无需掩模和感光材料，直接在40Cr轴承钢表面刻蚀微织构结构，相比传统激光加工技术，降低了成本，提高了效率；(2)本发明利用激光干涉技术可以形成三维立体结构，适合在平面或各种曲面造型的表面直接刻蚀结构，相比其他技术应用更为广泛；(3)本发明利用软件模拟干涉区域的光强能量分布，得到多种织构图案，同时确定工艺参数，简化干涉光路搭建的步骤，提高精度和效率；(4)本发明利用三光束光路系统刻蚀40Cr轴承钢表面，得到呈等边三角形阵列分布的凹坑织构结构，通过控制光强能量密度和刻蚀时间得到凹坑孔径尺寸为3.8-4.2μm，相比其他技术，在同等织构面积占比的条件下，实现了孔径尺寸为几微米连续可调。

附图说明

图1为软件模拟三光束干涉光强能量分布图，图种颜色由明到暗表示光强分布有弱到强，图中凹坑图案呈正三角形阵列分布，三角形边长为8μm；

图2为三光束干涉光路系统。Laser是纳秒脉冲激光器，第一高反镜M1、第二高反镜M2、第三高反镜M3、第四高反镜M4和第五高反镜M5，第一半反半透镜B1和第二半反半透镜B2，第一偏振片P1、第二偏振片P2和第三偏振片P3，第一1/2波片W1、第二1/2波片W2和第三1/2波片W3，substrate是40Cr轴承钢样品，其中第三、四、五高反镜M3、M4、M5在空间上呈正三角形放置；

图3为三光束干涉刻蚀40Cr轴承钢表面得到的微织构结构，凹坑孔径尺寸为4.2μm，织构面积占比为23％。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

利用软件模拟三光束干涉光强能量分布，理论分析和实验研究调制的三光束干涉获得多种周期的光强能量分布图案。基于电磁波理论进行分析，建立数学物理模型，并利用软件模拟与实际光刻相结合，分析特定光束数目、入射角度、空间角度和偏振角度下形成的凹坑阵列图案的干涉机制，如图1所示为三光束干涉光强能量分布模拟图，光强能量随着颜色的加深而增强，即颜色深的区域材料更容易被刻蚀掉，因此得到呈等边三角形阵列分布的凹坑图案，三角形边长为8μm。其中干涉光束入射角度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°，空间角度为

偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°。

根据模拟结果搭建三光束光路系统，通过精确控制脉冲激光能量密度和刻蚀时间，获得与模拟光强能量分布图一致的微米凹坑织构结构。如图2所示。纳秒脉冲激光器1发出一束激光经过第一高反镜M1、第二高反镜M2、第一半反半透镜B1和第三高反镜M3，到达干涉场为光路Ⅰ；经过第一高反镜M1、第二高反镜M2、第一半反半透镜B1、第二半反半透镜B2和第四高反镜M4，到达干涉场为光路Ⅱ；经过第一高反镜M1、第二高反镜M2、第一半反半透镜B1、第二半反半透镜B2和第五高反镜M5，到达干涉场为光路Ⅲ。第三、四、五高反镜M3、M4、M5的摆放位置由入射角度和空间角度决定，根据空间角为

入射角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°确定其在与样品表面平行的平面以等边三角形摆放，将第一偏振片P1、第二偏振片P2和第三偏振片P3和第一1/2波片W1、第二1/2波片W2和第三1/2波片W3分别放置在第三、四、五高反镜M3、M4和M5后面，通过旋转W1，W2和W3的角度使三光束光强能量密度比为1:1:1，使每束光的光强能量密度相同为0.45J/cm²，通过旋转P1，P2和P3角度，使三束干涉光束偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°。利用三光束干涉光路系统，激光直接作用在40Cr轴承钢平面或者球面，得凹坑孔径尺寸为4.2μm，织构面积占比为23％的微织构结构。对微织构化结构表面和未刻蚀表面进行摩擦系数测试，织构化结构使材料的摩擦系数降低了78％。

目前，利用激光直写技术制备孔径直径为20μm-80μm，织构面积占比为18％的凹坑结构，在不同负载和摩擦条件下对摩擦性能有不同程度的提高。

如图3所示，40Cr轴承钢表面制备以等边三角形阵列分布的凹坑结构，三角形边长为8μm，凹坑孔径尺寸为4.2μm。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：模拟边长为8μm的等边三角形阵列分布的微米级圆形凹坑织构图案的光强能量分布图，设定三束干涉光束入射角度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°，空间角度为

偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°；

步骤2：根据干涉光束入射角度、空间角度和偏振角度，搭建三光束干涉光路系统，包括纳秒脉冲激光器、5个高反镜、2个半反半透镜、3个1/2波片和3个偏振片，根据入射角度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝4°和空间角度为

计算出高反镜和半反半透镜的相对位置，3个1/2波片和3个偏振片分别放置在三束光相干涉之前，旋转1/2波片，使三束干涉光束光强能量密度相同，旋转偏振片，使三束相干光束的偏振角度为ψ₁＝90°，ψ₂＝90°，ψ₃＝0°；

步骤3：利用三光束干涉光路系统，通过旋转1/2波片，控制干涉光强能量密度相同为0.45J/cm²-0.5J/cm²，刻蚀时间40s-50s，直接在40Cr轴承钢表面获得与模拟光强能量分布图一致的等边三角形阵列分布的微米级凹坑结构，三角形边长为8μm，凹坑孔径尺寸为3.8μm-4.2μm，凹坑织构面积占比为20％-25％。

2.根据权利要求1所述的激光干涉微织构化改性40Cr轴承钢表面的方法，其特征在于：所述步骤3中，40Cr轴承钢表面为平面或球形曲面造型的表面，相比未刻蚀表面，微织构化结构的摩擦系数降低了78％，提高40Cr轴承钢摩擦学性能。

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