Development of processing and monitoring strategies for laser surface texturing of TiN coatings

Laser micromachining and structuring of thin ceramic surface coatings is an appealing process, especially for tribological applications. Studies show increased wear resistance and friction properties of dimpled surface coatings. The nature of the material and the delicacy of the integrity of the applied layer raise the problem of tight processing conditions, especially in terms of the ablated depth. However, for the industrial scale of the application, processing strategies with industrial grade laser systems are required. Fibre lasers with ns pulses are characterized by high productivity with good machining quality, and allow flexible and robust operation due to their simple solid state architecture. Therefore these sources stand out as tool that can meet the requirements of industrial scale large area texturing operations. On the other hand, machining depth in laser micromachining remains as a parameter that is determined by the complex interaction mechanism between material and beam. Depth variations commonly occur due factors such as material anisotropy and laser energy fluctuations. A monitoring technique for ablation depth therefore becomes of great interest for machining coating materials with limited thickness. This work reports the processing and monitoring strategies for laser surface texturing of ceramic TiN coatings. Three pulsed fibre laser sources with pulse durations ranging between 1-250 ns and wavelengths of 0.5 µm and 1 µm were employed. Processing strategies were developed for each laser system and effective control of the dimple diameter and depth without excessive machining to cause substrate contamination was demonstrated. A depth monitoring system based on self-mixing interferometry was designed and implemented. The system had resolution of 29 ns in time and 0.4 µm in depth. The measurement performance was compared to a commercial focused variation microscopy profiler and no statistical evidence of difference in measurements was found.

Le microlavorazioni per la texturizzazione superficiale dei rivestimenti ceramici sottili sono processi interessanti che generano grande attrattiva, soprattutto per le applicazioni tribologiche. Gli studi mostrano l’aumento della resistenza ad usura e di attrito dei rivestimenti texturizzati con micro-fossette (dimples). La natura del materiale e la necessità di avere integrità per lo strato applicato sollevano il problema di avere a che fare con condizioni di lavorazione strette, soprattutto in termini di profondità di ablazione. Tuttavia, per la collocazione industriale dell'applicazione, sono necessarie strategie di microlavorazione con sistemi laser di tipo industriale. I laser in fibra con impulsi ai ns sono caratterizzati da elevata produttività e da una buona qualità di lavorazione e permettono un funzionamento flessibile e robusto grazie alla loro architettura semplice data dallo stato solido. Pertanto queste sorgenti si distinguono come strumenti in grado di soddisfare le esigenze di natura industriale nel caso delle operazioni di texturizzazione delle grandi aree. D'altra parte, la profondità di ablazione nelle microlavorazioni laser rimane un parametro che viene determinato dal meccanismo di interazione complessa tra materiale e fascio laser. Variazioni di profondità si verificano, comunemente, a causa di fattori quali l’anisotropia del materiale e le fluttuazioni di energia laser. Una tecnica di monitoraggio per la profondità di ablazione diventa quindi di grande interesse per la lavorazione dei rivestimenti con spessori limitati. Questo lavoro riporta le strategie di lavorazione e di monitoraggio per la texturizzasione laser delle superfici nei rivestimenti TiN. Sono stati impiegate tre sorgenti di laser in fibra impulsato con durate di impulso che variano tra 1-250 ns e lunghezze d'onda di 0,5 µm e 1 µm. Le strategie di lavorazione sono state sviluppate per ciascun sistema laser; il controllo effettivo del diametro e della profondità delle fossette ha permesso di dimostrare che non si ha contaminazione del substrato nel caso di lavorazioni non eccessive. Un sistema di monitoraggio di profondità basato sull’interferometria laser da automiscelazione è stato progettato ed implementato. Il sistema ha risoluzione di 29 ns di tempo e 0,4 micron di profondità. Le prestazioni di misura sono state confrontate con un profilometro ottico basato sul principio della variziaone di fuoco e non è stata trovata nessuna evidenza statistica che dimostrasse differenza nelle misure.