激光干涉改性鈷鉻鉬合金表面研究

李文君

(長春理工大學(xué)，長春 130022)

激光干涉改性鈷鉻鉬合金表面研究

李文君

(長春理工大學(xué)，長春 130022)

利用激光干涉納米光刻技術(shù)，在鈷—鉻—鉬合金表面制備周期性的凹坑結(jié)構(gòu)。研究了激光干涉納米光刻過程中，影響材料表面結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三光束激光干涉光刻的曝光時(shí)間和光強(qiáng)能量密度對鈷—鉻—鉬合金鋼表面微納米結(jié)構(gòu)凹坑形狀、直徑及結(jié)構(gòu)面積的影響。

激光干涉；改性；鈷鉻鉬合金；表面

隨著材料工程學(xué)的發(fā)展，表面改性技術(shù)成為改善材料表面抗磨損、耐腐蝕性能的有效途徑之一[1]。人工關(guān)節(jié)假體摩擦界面的磨損是制約其使用壽命的主要因素。鈷—鉻—鉬合金是目前普遍應(yīng)用的人工假體材料之一，在承重過程中其磨損嚴(yán)重影響了人工關(guān)節(jié)的使用壽命。利用表面改性的方法提高鈷—鉻—鉬合金抗摩擦磨損性能已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注，各種表面改性技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。例如，熱處理技術(shù)[2，3]、化學(xué)沉積技術(shù)[4]、物理沉積方法[5]和激光處理技術(shù)[6]。在現(xiàn)有的制造技術(shù)中，激光處理技術(shù)應(yīng)用得最為廣泛，因?yàn)榧す饽軌蛑苯訉Ω鞣N金屬、合金、半導(dǎo)體材料和高分子材料等表面進(jìn)行加工，在表面形成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。激光干涉納米光刻技術(shù)可以直接加工不同材料表面，通過控制工藝參數(shù)，得到任意的三維結(jié)構(gòu)。

1 原理

該技術(shù)利用多光束激光干涉產(chǎn)生的圖案直接加工曲面或平面材料表面，形成與圖案相對應(yīng)的高精度微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，得到具有特殊特征尺寸的材料。表面激光干涉制造的原理是利用兩束或多束激光干涉，產(chǎn)生干涉圖案陣列的光強(qiáng)能量分布與材料相互作用而獲得表面的微納米結(jié)構(gòu)。干涉圖案不僅是二維平面內(nèi)的點(diǎn)、線，還可以是構(gòu)造復(fù)雜的多周期結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有特征尺寸、形狀和周期，從納米到微米級連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，在空氣中，周期最小可接近1/2波長。利用三光束激光干涉技術(shù)，通過控制干涉光的波長、入射角、空間角、偏振態(tài)及光強(qiáng)能量密度和曝光時(shí)間，直接在材料表面制備具有特定周期的微米級凹坑結(jié)構(gòu)。三光束相干光場干涉疊加可由以下公式解釋：

(1)

在制備過程中，干涉光源的入射角和波長決定了干涉結(jié)構(gòu)的凹坑密度，同時(shí)干涉光強(qiáng)能量密度和曝光時(shí)間影響著凹坑的直徑。凹坑的幾何形狀取決于干涉光數(shù)目、空間角和偏振態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)和討論

本實(shí)驗(yàn)利用大功率納秒激光器，激光波長為1 064 nm，搭建三光束激光干涉光刻系統(tǒng)，在鈷—鉻—鉬合金表面制備周期性微米級凹坑結(jié)構(gòu)。激光頻率為10 Hz，脈沖為7 ns。由激光器發(fā)出的一束激光，由高反鏡1、半反半透鏡1和高反鏡2分出干涉光束1；由高反鏡1、半反半透鏡1、半反半透鏡2和高反鏡3分出干涉光束2；由高反鏡1、半反半透鏡1、半反半透鏡2和高反鏡4分出干涉光束3。三組波片和偏振片鏡組分別置于曝光材料前，用于控制每束干涉光的光強(qiáng)能量密度和偏振態(tài)。

以上所有實(shí)驗(yàn)都在空氣中進(jìn)行。

三光束干涉光刻系統(tǒng)如圖1所示，三束干涉光空間角為φ1=0°，φ2=120°，φ3=240°，入射角為8.5°，偏振態(tài)為TE-TE-TM，ψ1=ψ2=90°，ψ3=0°。

圖2為微米級凹坑結(jié)構(gòu)的形貌掃描電鏡圖片，結(jié)構(gòu)的平均周期為8.5 μm。高峰值大功率納秒激光光源在燒蝕鈷—鉻—鉬合金表面的過程中，合金在極高的溫度下與氧氣在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。圖2(a)(b)(c)是光強(qiáng)能量密度分別為f1=0.23 J/cm2，f2=0.37 J/cm2，f3=0.45 J/cm2，曝光時(shí)間為40 s的凹坑結(jié)構(gòu)形貌圖。從圖2中可以明顯觀察到，光強(qiáng)能量密度為0.23 J/cm2，凹坑的直徑很小并且凹坑的深度明顯不夠，并沒有最大范圍內(nèi)形成周期性的凹坑結(jié)構(gòu)。隨著光強(qiáng)能量密度的增加，凹坑結(jié)構(gòu)逐漸明顯且較為均勻，并且結(jié)構(gòu)表面沒有出現(xiàn)裂痕。當(dāng)光強(qiáng)能量密度達(dá)到0.45 J/cm2，凹坑外緣開始融化，部分凹坑結(jié)構(gòu)被破壞。

圖1 三光束激光干涉光路圖Fig.1 Three beam laser interference optical path

3 結(jié)論

本文研究了激光干涉納米光刻技術(shù)直接加工鈷—鉻—鉬合金表面，通過控制結(jié)構(gòu)的幾何形貌和特征尺寸，提供了一種高效、可控和高精度地提高摩擦磨損特性的方法。通過實(shí)驗(yàn)分析了曝光時(shí)間和光強(qiáng)能量密度對結(jié)構(gòu)形貌和特征尺寸的影響，為進(jìn)一步研究激光干涉納米光刻技術(shù)在鈷—鉻—鉬合金表面制備可控特征尺寸的結(jié)構(gòu)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 雒建斌，何雨，溫詩鑄，等. 微/納米制造技術(shù)的摩擦學(xué)挑戰(zhàn) [J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2012，37(06)： 642-648.

[2] Cao Y, Sun J, Ma F, et al. Effect of the microstructure and residual stress on tribological behavior of induction hardened GCr15 steel [J]. Tribology International, 2017, (115)： 108-115.

[3] Lee S, Takahashi E, Nomura N, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Ni- and C-Free Co-Cr-Mo alloys for medical applications[J]. Materials Transactions, 2005, 46(08)： 1790-1793.

[4] Mallik A, Shivashanka S, and Biswas S. High vacuum tribology of polycrystalline diamond coatings[J]. Sadhana, 2009, (34)： 811-821.

[5] Hua M, Tam H, and Ma H. Patterned PVD TiN spot coatings on M2 steel: tribological behaviors under different sliding speeds[J]. Wear, 2006, (260)： 1153-1165.

[6] Amanov A, Tsuboi R, Oe H, et al. The influence of bulges produced by laser surface texturing on the sliding friction and wear behavior[J]. Tribology International, 2013, (60)：216-223.

Studyonsurfacemodificationofcobaltchromiummolybdenumalloybylaserinterference

LI Wen-jun

(Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

Periodic dimple structure was prepared on cobalt chromium molybdenum alloy surface by laser interference lithography. This paper studies on process parameters affecting surface structure of the material in laser interference nanolithography process. The effects of three beam laser interference lithography on dimple shape, diameter and structure area in exposure time and light energy density were verified.

Laser interference; Modification; Cobalt chromium molybdenum alloy; Surface

R783.1

B

1674-8646(2017)20-0034-02

2017-09-30

李文君(1987-)，女，碩士研究生，初級。