随着微纳米科学与技术的不断发展,制造业开始向小型化、精密化方向转换,促使微纳结构的应用领域也越来越广。在模具上制备微结构,将微结构转移到产品表面,使得产品表面具备功能性。模具钢表面微结构的制备效率和表面质量是首要关注的问题。因此,探索高效的模具钢表面微结构制备技术是极其重要的工作。本文引入皮秒激光刻蚀Cr12MoV冷作模具钢,由于超短脉冲作用时间,热扩散深度被压制或消失,基本上消除重铸层和热影响区。利用高速扫描振镜在Cr12MoV冷作模具钢上制备纹理结构,并对激光工艺、刻蚀机理以及刻蚀质量调控进行研究,主要成果包括以下几个方面:系统研究了1064nm皮秒激光的扫描速度、激光功率、加工次数和宽度对刻蚀深度和质量影响规律及刻蚀机理。实验结果表明:无论是增加激光功率、降低扫描速度还是增加单道或多道刻蚀次数,刻蚀深度增加程度都非常有限,基本在几μm左右。较大的激光功率和较多的加工次数不但不能增加刻蚀深度,反而会引起刻蚀质量(Ra=3.18μm)和效率(84.23μm~3/mJ)下降,甚至最终造成刻蚀深度下降。其原因主要是由于在低重复频率(0.3 MHz)下的单脉冲能量密度较大(最小单脉冲能量密度为9.99 J/cm~2),皮秒激光刻蚀加工过程会产生强烈的等离子体屏蔽效应,消耗大量激光能量而导致较厚重铸层和较大热影响区。分别研究了1064 nm波长和532 nm波长激光重复频率对Cr12MoV冷作模具钢钢刻蚀深度、表面粗糙度和效率的影响规律。实验和分析结果表明:在激光能量输入不变的条件下,激光重复频率变化对刻蚀深度、质量和效率均有较大的影响,主要由单脉冲能量、等离子体屏蔽效应和热积累效应三种因素相互竞争结果而定。在激光输入能量恒定条件下(34.25 mJ@1064 nm、7.47 mJ@532 nm)和最优重复频率(10-20 MHz)范围内,激光单脉冲能量较小和热积累效应较显著的重复频率明显降低等离子体屏蔽效应,获得较大的刻蚀深度(51μm@1064 nm、44μm@532 nm)和较高的刻蚀效率(1000μm~3/mJ@1064 nm和2373μm~3/mJ@532 nm)以及表面粗糙度<1μm良好刻蚀质量。通过研究低重复频率(0.4 MHz)和高重复频率(10 MHz)激光波长对刻蚀深度、表面粗糙度和效率的影响规律和分析结果表明:在重复频率0.4 MHz和单脉冲能量密度小于25.1 J/cm~2条件下,532 nm波长激光的刻蚀深度、效率和表面粗糙度均大于1064nm和355nm波长;单脉冲能量密度大于25.1 J/cm~2时,532 nm波长激光的刻蚀深度和效率快速降低到0,同时表面粗糙度快速增加;而1064 nm和355 nm的刻蚀深度和表面粗糙度缓慢增加,刻蚀效率缓慢减小。在重复频率为10 MHz时,532 nm波长的刻蚀效率和深度分别是1064 nm波长的2.56倍和1.52倍。532nm刻蚀区域表面形成少量孔洞,而1064 nm表面无孔洞;532 nm波长表面粗糙度(Ra=0.49μm)小于1064 nm波长表面粗糙度(Ra=0.72μm)。皮秒激光对Cr12MoV冷作模具钢质量调控研究表明:在制备复杂的纹理结构图形时,皮秒激光刻蚀尺寸精度和质量方面不仅与激光最佳工艺参数有关,而且还与加工策略的优化及合理搭配有关,不同的微结构图案应选择相应加工策略并合理搭配激光最佳工艺参数才能确保皮秒激光制备的精度和质量。加工策略选择原则是首先保证激光刻蚀边缘平整度和均匀性,确保刻蚀尺寸精度,再考虑激光刻蚀效率。皮秒激光制作微结构的最佳刻蚀工艺参数选择原则是首先保证刻蚀质量,再考虑刻蚀深度和效率。在皮秒激光扫描速度和功率最佳搭配范围(III区)内,可获得表面粗糙度Ra<1.42μm的良好激光刻蚀质量,并可通过增加激光功率提高刻蚀效率,最大刻蚀效率可达900μm~3/mJ,也可适当增加加工次数或者减小填充间距来增加刻蚀深度,最大刻蚀深度可达100μm。采用最佳的激光工艺参数,再合理搭配优化加工策略分别在Cr12MoV冷作模具钢和H13A硬质合金上制备各种功能性纹理结构的效果表明,采用皮秒激光刻蚀加工技术可实现在冷作模具钢和硬质合金制备精度误差小于5%,表面粗糙度不大于1μm的高精度和高质量不同功能性纹理结构,可解决目前模具钢由于高硬度、抗压强度以及良好耐磨性导致加工制备纹理微结构困难的瓶颈。