激光参数对WC-Co多尺度表面纹理的影响：形成、表征与优化

《Optics & Laser Technology》：Influence of laser parameters on multiscale surface texturing of WC-Co: Formation, characterization and optimization

多尺度表面纹理在WC-10% Co材料中通过单步激光加工实现，研究峰值能量、脉冲数及脉冲持续时间对LIPSS和微米级纹理的影响，发现高脉冲数和能量促进LIPSS形成，短脉冲时间增强刻蚀深度，但过度参数导致微裂纹，需优化工艺条件。

　　激光技术自1960年问世以来，逐渐成为表面工程领域的重要工具。其在材料加工、表面改性及功能表面制造等方面展现出独特的优势，包括高精度、高适应性和环境友好性。然而，由于初始投资较高，其应用仍受到一定限制。在众多表面工程技术中，激光表面纹理（Laser Surface Texturing, LST）因其在提高材料性能方面的潜力而受到广泛关注。特别是在切削工具领域，LST能够改善润滑效果、降低切削力和温度，从而提升切削过程的效率和工具寿命。

本研究聚焦于Tungsten Carbide-10% Cobalt（WC-10% Co）材料，这是一种广泛应用于金属切削工具的材料。研究采用CB3-40 W固态脉冲激光器，其脉冲持续时间范围为220 fs至10 ps（即10,000 fs），在非保护性空气中进行实验，覆盖广泛的脉冲能量密度（0.2–16 J/cm2）和每点脉冲数（3–200）。通过扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜聚焦变焦（OM F-V）和原子力显微镜（AFM）等多种微观技术手段，对实验所得表面特征进行了多尺度分析。研究结果表明，更高的脉冲数和能量密度有助于Laser-Induced Periodic Surface Structures（LIPSS）的形成，而更短的脉冲持续时间则能够提升去除深度。此外，过度激进的激光参数可能导致微裂纹和缺陷，这凸显了优化加工条件的重要性。

LIPSS作为一种准周期性表面结构，具有广泛的应用前景。它们可以影响材料的润湿性、抗反射性、抗腐蚀性、抗冰性和抗菌性等物理和化学性质，因此在表面工程中具有重要意义。然而，对于亚微米尺度的结构，传统的光学显微镜无法提供足够的分辨率，必须借助扫描探针显微镜（SPM）或电子显微镜（EM）等技术。在本研究中，利用SEM对LIPSS的亚微米尺度特征进行了分析，而OM F-V和AFM则用于评估微米尺度的表面形貌，如去除直径和深度。研究还发现，LIPSS的周期性特征与激光参数密切相关，尤其是在脉冲数和脉冲能量密度的调整下，周期长度呈现出一定的变化趋势。

在实验过程中，研究人员发现脉冲持续时间对LIPSS的形成具有一定的影响。例如，当脉冲持续时间为10,000 fs时，LIPSS的周期性特征更加明显，而在较短的脉冲持续时间下，LIPSS的形成更为复杂，可能伴随着其他结构的出现。此外，研究还指出，某些情况下，LIPSS的周期长度与脉冲数之间存在负相关关系，即随着脉冲数的增加，周期长度减小。这一现象在之前的研究中也有类似发现，表明脉冲数对表面结构的精细控制具有重要作用。

对于微米尺度的去除特征，研究显示，随着脉冲数的增加，去除深度也随之增大。这一趋势在多个实验中得到了验证，并与文献中的结果一致。同时，研究还发现，脉冲持续时间对去除深度的影响较为显著，尤其是在较低能量密度下，较短的脉冲能够产生更深的去除效果。然而，某些情况下，这种趋势并不完全稳定，可能受到表面初始形貌、材料热效应和测量误差等因素的影响。例如，在能量密度较低的实验中，去除深度的变化可能与表面的自然起伏有关，从而影响最终的测量结果。

此外，研究还关注了激光参数对微裂纹和表面缺陷的影响。实验表明，当激光能量密度和脉冲数过高时，材料表面可能出现裂纹和孔洞等缺陷。这可能是由于局部热积累和材料热应力过大所致。相比之下，较短的脉冲持续时间（如220 fs）有助于减少热影响区（HAZ），从而降低裂纹生成的风险。同时，研究指出，某些裂纹可能在激光处理前已经存在于材料中，例如在采用线切割（WEDM）进行样品制备时可能引入的微裂纹，这些裂纹在后续的激光处理过程中被进一步扩展。

为了更全面地理解激光参数对表面形貌的影响，研究采用了多种分析方法。例如，通过AFM对纳米和亚微米结构的总高度（Pt）进行了量化分析，发现其与脉冲能量密度和脉冲数存在一定的相关性。同时，通过SEM图像的自相关分析，研究人员能够更精确地确定LIPSS的周期（Λ），并进一步探讨其形成机制。这些分析方法的结合，使得研究能够从多尺度角度全面评估激光处理对材料表面的影响。

综上所述，本研究不仅揭示了激光参数对WC-10% Co材料表面形貌的显著影响，还提出了一种结合多种微观技术的新型方法，用于表征和评估多尺度表面纹理。研究结果表明，优化激光参数组合是实现高质量表面纹理的关键。此外，研究还强调了在实际应用中，应特别关注激光处理可能引入的裂纹和缺陷，以确保切削工具的性能和寿命。未来的研究可以进一步探索如何在不同的加工条件下，实现更精确的表面纹理控制，同时减少可能的负面影响，从而推动激光表面工程在工业领域的广泛应用。