一种用于无粘结碳化钨（WC）基材上制备高完整性化学镀镍-磷（Ni-P）层的单步激光激活策略

《Optics & Laser Technology》：A single step laser activation strategy for high-integrity electroless Ni-P plating on binderless WC

激光诱导活化技术用于无粘结碳化钨基体上电镀镍磷镀层的研究。通过皮秒激光在无粘结WC表面制备微纳复合形貌，成功实现无需钯活化剂的单步电镀，镀层表面粗糙度降低至22纳米，抗划痕载荷超过15牛，显著优于传统钯活化工艺。

　　

Muneeb Khan | Tianfeng Zhou | Qian Yu | Yupeng He | Xuanzhe Yang | Weijia Guo | Hammad Ahmad

北京工业大学机械工程学院，中国北京100081

摘要

无粘结剂碳化钨（WC）具有极高的硬度和较差的加工性能，这在制造精密玻璃成型（PGM）所需的高性能模具时带来了重大挑战。虽然通常采用化学镀镍磷（Ni-P）作为可加工的界面层，但WC本身的化学惰性和较低的催化活性阻碍了直接沉积。本研究介绍了一种新型的单步激光诱导活化技术，作为化学镀Ni-P在无粘结剂WC上的绿色且更优的替代方法。利用皮秒Nd:YAG激光器生成了具有周期性微槽和激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的层次化微纳结构。所得Ni-P镀层的微观结构和表面特性得到了显著改善：与钯（Pd）活化层相比，沉积层的粗糙度显著降低（Ra ≈ 175 nm），同时保持了致密、连续且无缺陷的结构。经过化学机械抛光（CMP）后，激光活化层达到了超光滑、均匀的表面（Ra ≈ 22 nm），并且在划痕测试中能够承受超过15 N的临界载荷而不会发生分层。这项工作为开发高质量的PGM模具材料提供了一种先进的激光表面活化方法。

引言

随着消费电子、电信和医疗设备对高性能光学元件的需求不断增加，精密玻璃成型（PGM）已成为制造复杂光学元件（如非球面和圆柱透镜）的关键制造技术[1]、[2]。与传统的磨削和抛光等减材方法相比，PGM是一种净成形工艺，可以直接从母模高产量复制出亚微米精度的透镜[3]、[4]。该工艺涉及将加热后的玻璃预制件压在精密模具上，因此模具的性能和寿命对技术的经济可行性和产品质量至关重要[5]。 模具材料必须能够承受极端条件，包括循环热负荷（400–700°C）、机械压力以及与软化玻璃的潜在化学相互作用。特别是无粘结剂形式的碳化钨（WC），已成为先进PGM应用的首选材料[6]、[7]、[8]、[9]。由于没有金属粘结剂（例如钴），WC具有更高的热稳定性、硬度和耐磨性[10]、[11]、[12]、[13]。然而，这种化学惰性和极高的硬度给表面工程带来了重大挑战。WC的非催化性质阻止了功能性涂层的直接应用，其较差的加工性能也使得在模具表面创建精确的微结构变得复杂[14]、[15]、[16]、[17]。 一种有前景的策略是在无粘结剂WC基底上沉积一层可加工的功能性中间层。化学镀镍磷（Ni-P）是这一角色的理想候选者[18]、[19]、[20]。作为一种自催化过程，Ni-P可以在基底上形成均匀、坚硬且耐腐蚀的表面。然后可以通过精密加工这种Ni-P中间层来创建所需的光学表面，结合WC的块体特性和Ni-P的优异加工性能[21]、[22]。然而，成功启动化学镀层的前提是具有催化活性的表面，而这正是无粘结剂WC所缺乏的。 为了解决这个问题，业界几乎完全依赖传统的钯（Pd）活化工艺，这是一种多步骤的化学预处理方法，可以在基底上沉积催化性的Pd纳米颗粒[23]、[24]。尽管这种方法有效，但它存在许多缺点：对环境有害、消耗昂贵的贵金属，并且通常会导致Ni-P镀层附着力差、颗粒粗大以及微孔较多[25]、[26]。这些微观缺陷会成为应力集中点并引发失效，在PGM的恶劣条件下导致分层和模具过早退化，最终影响成型光学元件的质量。 激光表面纹理化（LST）作为一种强大的非接触式表面活化与改性技术应运而生。使用超短脉冲激光（例如皮秒激光）可以实现精确的“冷”烧蚀，从而在无粘结剂WC等硬脆材料上创建可控的微纳级结构，而不会造成显著的热损伤[27]、[28]。这种激光生成的纹理，包括激光诱导周期性表面结构（LIPSS）和层次化架构，可以大幅增加表面面积并创建高密度的活性位点，这些位点有可能催化化学镀层过程[29]、[30]。尽管初步研究表明激光活化在聚合物和某些陶瓷上的应用是可行的，但其应用于无粘结剂WC以制造高性能PGM工具的研究仍相对较少[31]。系统地比较激光活化Ni-P镀层与传统的基于Pd的镀层的质量、微观结构和性能仍是一个亟待解决的问题。 本研究介绍了一种新型的单步皮秒激光诱导活化策略，作为传统Pd活化方法的绿色且高性能替代方案，用于无粘结剂WC上的自催化化学镀Ni-P。通过全面比较研究，系统地探讨了Pd活化与激光纹理化后WC基底的表面形态和化学状态；所得Ni-P镀层的成核机制、生长动力学和最终微观结构；关键的镀层质量指标（包括密度、缺陷数量和界面完整性）；以及机械性能（特别是显微硬度和附着力）。研究表明，激光表面活化能够生成高质量、完全致密且无缺陷的Ni-P镀层，无需使用贵金属催化剂，为在先进工具材料上设计高性能表面开辟了新途径，直接提升了PGM模具的寿命和可靠性。

部分摘录

模具材料制备

在本研究中，使用了圆柱形无粘结剂WC基底（Grade BL10，Cheerful Micro-Nano Technology Co., Ltd.）。该基底通过高纯度粉末的火花等离子烧结制成，具有0.5–1.0 μm的细晶粒结构和可忽略的孔隙率。基底成分大约为93–95%的钨和5–7%的碳，物理尺寸为直径20 mm、厚度5 mm。

基底表面的微观结构表征

• (1)
  基底的表面微观结构

图4显示了经过Pd和皮秒Nd:YAG激光活化后的无粘结剂WC的表面微观结构和元素组成，通过SEM和EDS进行了表征。对于Pd活化的基底（图4(a-c)，表面显示出均匀分布的亮对比区域，对应于富Pd的沉积位点。在更高放大倍率下（图4(b)），可以看到许多直径在100 nm到1 μm之间的离散球形纳米颗粒。

结论

本研究成功展示了一种新型的单步皮秒激光诱导活化策略，用于在难熔无粘结剂WC上进行自催化化学镀Ni-P，提供了比传统Pd活化更优的替代方案。全面的比较分析揭示了几个关键发现：

(1)

皮秒激光纹理化生成了具有周期性微槽和LIPSS的层次化微纳结构，提供了高密度的均匀成核位点，而无需

资金声明

本工作得到了国家自然科学基金（52205440, 52435008 & 52505508）、四川省科技计划（24NSFSC6566）和北京市自然科学基金（3244037）的财政支持。

作者贡献声明

Muneeb Khan：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。 Tianfeng Zhou：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、概念构思。 Qian Yu：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、概念构思。 Yupeng He：方法论设计、概念构思。 Xuanzhe Yang：方法论设计、概念构思。 Weijia Guo：方法论设计、概念构思。 Hammad Ahmad：方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢中国北京工业大学先进制造技术实验室提供的设施和支持，这使得本研究成为可能。