通過激光表面毛化減少摩擦，從而獲得高效的表面滑動動作

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，在激光加工開發(fā)過程中，它同樣適用于研究和表征凹痕周圍的再沉積材料高度

因滑動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)。針對滑動表面上微米級特征的精確激光表面毛化顯示出摩擦系數(shù)顯著降低，同時由于增加耐磨性而延長了零件的使用壽命。 ^2-3 2-.Vladescu, S., Olver, A., Pegg, I. & Reddyhoff, T. 通過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. 用于混合潤滑的激光紋理表面：長寬比、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阻礙該技術(shù)被運用在工業(yè)領(lǐng)域中。這一部分是與設(shè)備的成本有關(guān)，因為表面特征所需的質(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)致過長的處理時間。

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

激光表面毛化過程會熔化材料，而熔化掉的材料可能會堆積在凹痕周圍，成為緣沿（圖 1）。熔融層緣的高度 (h1) 對最終應(yīng)用至關(guān)重要，因為可能存在非常緊密的制造公差，即滑動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量其形貌（高度）（圖 2）。

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

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

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

但是，考慮到材料和表面類型的多樣性（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)行這項工作的主要原因之一。此功能可快速評估各種表面。

                                                                                                  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、氣缸體、泵和壓縮機等。通過珩磨工藝對氣缸進(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程與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了比較?？梢钥闯觯路椒@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，在激光加工開發(fā)過程中，它同樣適用于研究和表征凹痕周圍的再沉積材料高度。

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