316L不銹鋼表面微織構激光加工工藝參數

劉宇航,李 巖,李 林,陳義保

(煙臺大學機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005)

隨著人類年齡的增長及生活、工作壓力的增大,大腦內部的某些神經核團會出現功能失調的現象,進而導致一系列的精神活動或運動障礙疾病[1],如帕金森病。因藥物(如左旋多巴)治療具有較強的副作用,腦深部刺激術(Deep brain stimulation, DBS)以損傷小、療效好、并發(fā)癥少、參數可調等優(yōu)點成為該類病癥的最佳治療手段[2-5]。

DBS手術中,套管電極從額中回沿腦實質穿刺至靶點區(qū)域,穿刺路徑長約50 mm。穿刺過程中,套管電極圓柱側壁表面與腦組織之間會因相對運動產生穿刺摩擦力[6]。隨著穿刺深度的增加,穿刺摩擦力不斷增大,不僅會引起腦組織變形、移位,還會持續(xù)地剪切、拖拽和牽拉穿刺路徑上的腦組織[6],使腦組織產生疤痕、水腫、神經膠質等現象[3],從而減小了DBS的有效刺激范圍。因此,為了提高手術的治療效果,降低手術過程中對腦組織的損傷及并發(fā)癥的產生,應盡可能降低穿刺摩擦力。

結合大量的研究成果,對光滑的摩擦表面進行適當的微織構化處理,將起到較好的減摩作用[7,8]。表面上的微織構不僅能降低摩擦副之間的直接接觸面積,配合潤滑劑還能形成微動壓潤滑軸承,在摩擦副之間形成隔膜,可以進一步減小摩擦副之間的有效接觸面積[9];當存在潤滑劑時,表面微織構具有儲存潤滑劑,為摩擦副之間提供“二次潤滑”的功能[10]。因此,在套管電極表面進行適當的微織構化處理,或許可以起到較好的減摩效果,以提高手術效果。

套管電極為直徑1.5 mm、壁厚約150 μm的316L不銹鋼套管。圓柱套管表面的易加工微織構為軸向直線型溝槽。因此,在套管電極圓柱表面加工微織構的關鍵前提是優(yōu)化316L不銹鋼表面直線型溝槽的加工工藝參數。

腦細胞之間物理連接緊密,并非離散分布,為防止腦細胞進入微織構溝槽,直線型溝槽的寬度應介于腦細胞的尺寸水平(10～20 μm)[11]。因此,套管電極表面直線型溝槽的寬度標準為:盡量減小溝槽寬度,以減輕或防止腦細胞進入溝槽內部。套管電極表面直線型溝槽的深度影響腦脊液的捕捉量,為了不影響套管電極的導向功能,溝槽深度應不超過幾十微米。Nd:YAG泵浦固體納秒激光系統具有操作過程簡單、工作能量可調、加工效率高的特點[12-13],可作為316L不銹鋼表面直線型溝槽的微織構化工具。

激光加工工藝參數直接影響微織構的寬度、深度及表面的熱損傷效應。加工微織構時,選擇低激光能量范圍,以減小溝槽寬度,降低材料表面的熱損傷,但單次掃描后的溝槽深度將減小,從而減少溝槽對腦脊液的捕捉量。為了增大溝槽深度,需增加激光掃描次數,但材料表面的熱損傷會隨掃描次數的增加而加重。因此,利用正交實驗法優(yōu)化Nd:YAG泵浦固體納秒激光系統對316L醫(yī)用不銹鋼的加工工藝參數,以達到減小溝槽寬度、增大溝槽深度及材料表面無明顯熱損傷的目的,指導套管電極表面直線型溝槽的有效加工。

1 實驗過程

1.1 加工材料

實驗的加工材料為20 mm×20 mm×5 mm的316L醫(yī)用不銹鋼方板,表1為316L不銹鋼的材料屬性[14]。進行加工前,需將316L不銹鋼方板上下表面進行研磨、拋光,使表面粗糙度Ra≤500 nm,并放入無水乙醇中進行2次超聲波清洗,每次10 min,清洗完成后將其置于吸紙上,在空氣中自然干燥。

表1 316L不銹鋼的材料力學屬性

1.2 激光加工工藝參數的正交實驗優(yōu)化方案

在316L不銹鋼方板上,使用激光束掃描方板表面,完成微織構的加工。表2為激光束的固有參數。激光系統的可調參數為以下4種:激光功率P(0～20 W)、重復頻率f(0～80 kHz)、掃描速度v(0～600 mm/s)及掃描次數n(1～n)。

表2 激光束的固有參數

正交實驗的因素為以上4種可調參數,指標設為微織構的寬度和深度。表3為正交實驗的4種因素,4種因素均選用5個水平,以提高正交實驗的準確性與可信度。

表3 正交實驗的因素和水平

1.3 激光束對直線型微織構的正交實驗過程

圖1為微織構的激光加工平臺。首先,在激光系統的工作臺上擺放微位移平臺,并調整微位移平臺的軸線,使其與工作臺的邊緣對正,保證微位移平臺的調整方向與激光束的掃描方向垂直。其次,將316L不銹鋼方板的邊緣與微位移平臺的位移調整方向對正后放置在微位移平臺上。在激光加工過程中,直線型溝槽的間距可通過微位移平臺進行便捷調整。

圖1 微織構的激光加工平臺

對工件進行激光對焦,然后按照正交表的方案設計順序依次在316L不銹鋼方板上采用直線掃描的方式加工微織構。加工直線段長度設為20 mm。旋轉微位移平臺旋鈕,使316L不銹鋼方板沿垂直于激光束的掃描方向移動0.5 mm,進行下組實驗方案的便捷加工。重復上述過程,以完成所有預設實驗方案。

正交實驗結束后,將加工完成后的316L不銹鋼方板置于無水乙醇中進行超聲波清洗,每次清洗10 min,共計2次。清洗完成后置于吸紙上,干燥后對直線型溝槽進行寬度、深度及表面灼燒程度的分析。

2 實驗結果及分析

2.1 直線型微織構的形貌分析

正交實驗中各溝槽的形貌以及表面熱損傷情況均使用超景深光學顯微鏡進行觀察測量。圖2(a)—(e)依次為正交實驗方案9、13、3、21和8,按掃描次數增加的順序排列的直線型微織構的二維、三維形貌及尺寸測量曲線。

圖2 超景深光學顯微鏡對微織構形貌及尺寸的觀測結果

觀察微織構全貌發(fā)現,溝槽呈火山口堆積狀,且兩側邊緣出現不規(guī)則的凸起,此種形態(tài)與蚊子吸血鼻器上的剛毛及具有不光滑外形的寄生蟲產卵器相似[11,15]。圖2可知,溝槽深度隨掃描次數的增加而增大,但加劇了溝槽附近的灼燒效應。當掃描次數為1和2時,微織構表面較整潔,熱影響區(qū)改性范圍小、顏色淺且無明顯重熔濺射現象,微織構加工質量較好。當掃描次數為3時,微織構表面凹凸不平,熱影響區(qū)改性范圍廣、顏色深且溝槽兩側存在較多圓球狀熔渣,微織構加工質量低。當掃描次數為4和5時,激光熔融物對溝槽型腔的堵塞嚴重,微織構化表面加工質量差。因此,掃描次數對溝槽深度及表面灼燒程度影響很大。

分析認為,激光能量隨著激光脈沖數量的累加而增多,當掃描次數增加時,溝槽內累計的激光脈沖增多,激光能量累加增大,勢必拋出更多待加工材料,導致溝槽深度增大。由于溝槽深度的加深,使溝槽底部材料拋出困難,且氣化或液化的材料急劇冷卻后會快速冷凝,從而引起了溝槽型腔堵塞的現象。

綜上所述,綜合考慮溝槽深度和微織構化表面加工質量,激光的最佳掃描次數為2次。

2.2 直線型微織構的寬度和深度分析

利用超景深光學顯微鏡測量316L不銹鋼方板上溝槽的寬度和深度并記錄。將基體表面到溝槽底部的高度差作為測量溝槽深度的標準,以排除溝槽凹凸不同邊緣對深度的影響。計算溝槽寬度、深度的平均值和極值,并填入表4中。為更加直觀分析正交實驗的4種因素對溝槽寬度及深度的影響效應,根據表4中的數據,繪制圖3、4中的效應曲線。

圖3 溝槽寬度的效應曲線

表4 激光加工工藝參數的直觀分析

表4(續(xù))

本次實驗的目的是在減小溝槽寬度的情況下,增加溝槽深度。分析表4中的各項數據,對比不同因素、不同水平下溝槽寬度的均值可以得出各因素的最優(yōu)水平:P5、f1、v5、n5。因此P(0.10 W)、f(80 kHz)、v(400 mm/s)、n(5)為減小溝槽寬度的最優(yōu)參數組合。分析各因素下溝槽寬度的極差,總結影響溝槽寬度的激光加工因素順序:n>P>f>v。

套管電極的壁厚為150 μm,由表4可知,溝槽深度的最大值為7.528 μm,在溝槽深度遠小于套管電極壁厚的前提下,應增大溝槽深度。對比不同因素、不同水平下溝槽深度的均值可得各因素的最優(yōu)水平:P2、f2、v5、n5。因此P(0.04 W)、f(75 kHz)、v(400 mm/s)、n(5)是增大溝槽深度的最優(yōu)參數組合。分析各因素下溝槽深度的極差,總結影響溝槽深度的激光加工因素順序:n>v>f>P。

通過分析圖3中各曲線可知:當激光功率增大時,溝槽寬度曲線基本呈現下降趨勢;當重復頻率和掃描速度增大時,溝槽寬度曲線上下波動;當掃描次數增加時,溝槽寬度呈現顯著下降趨勢。因此,影響溝槽寬度大小的最主要因素為激光掃描次數。

分析圖4中各曲線可知:當激光功率0.04 W、重復頻率75 kHz、掃描速度400 mm/s時,溝槽深度分別體現為最大值;且溝槽深度隨掃描次數的增加,呈現顯著增大趨勢。因此,影響溝槽深度的最主要因素同樣為激光掃描次數。

圖4 溝槽深度的效應曲線

綜上所述,激光的掃描次數為影響溝槽寬度、深度的最主要因素。忽略掃描次數時,減小溝槽寬度與增大溝槽深度的最優(yōu)工藝參數組合并不相同,由于本實驗的目的需優(yōu)先考慮溝槽深度,故選用增大溝槽深度的最優(yōu)工藝參數組合;當掃描次數過多時,會加重微織構表面的熱損傷,考慮材料表面的熱損傷情況,應降低激光掃描次數。表5為激光加工316L不銹鋼材料的最佳工藝參數組合。

表5 激光對316L不銹鋼材料的最優(yōu)加工工藝參數

3 小 結

結合微織構減摩機理,本論文提出了在套管電極表面加工微織構,以降低摩擦力的思路;針對制備套管電極的材料,本文采用激光加工技術及正交實驗法優(yōu)化了納秒激光對316L醫(yī)用不銹鋼材料的加工工藝參數。得出了如下結論:

(1) 整體上看,直線型微織構的形貌呈火山口堆積狀。掃描次數對溝槽的寬度和深度影響不同,當掃描次數增加時,溝槽寬度急劇增加,而溝槽深度急劇降低,且溝槽表面熱損傷加重。因此,掃描次數是影響溝槽深度、寬度及表面灼燒程度的最主要因素。

(2) 正交實驗的4種因素對溝槽深度與寬度的影響具有很大的差異性。忽略掃描次數,其他3種因素對溝槽寬度及深度的影響順序不同,為實現正交實驗的目的,優(yōu)先考慮增大溝槽深度的激光加工工藝參數組合。

(3) 綜合考慮溝槽寬度、深度及表面損傷情況,求出了激光加工316L不銹鋼材料的最佳工藝參數組合,以指導套管電極表面直線型溝槽的有效加工。