Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение

ЛАЗЕРНЫЕ МИКРОТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.38

В. П. Вейко, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов, Е. А. Шахно

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

С. А. Батище

Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Белоруссии

Минск

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛОВ: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

Разработаны специальные методы, повышающие качество лазерной очистки поверхностей и расширяющие возможности ее применения, такие как обработка через прозрачную пленку и обработка наклонным пучком. Проведенные исследования выявили перспективность применения лазерной очистки для снятия покрытия, удаления радиоактивно загрязненного поверхностного слоя, очистки микроотверстий, очистки предметов исторического и культурного наследия.

Введение. Лазерная очистка представляет собой эффективный метод удаления частиц различных материалов и размеров, пленок и покрытий с поверхности твердых тел. Проблемы очистки поверхностей от примесей и загрязняющих веществ в виде мелких частиц и пленок встают во многих областях человеческой деятельности: промышленности, строительстве, искусстве, медицине и т.п. Характерным примером является микроэлектроника: в результате постоянно возрастающей интеграции становится актуальной задача очистки поверхностей от частиц субмикронных размеров. Область применения лазерной очистки постоянно расширяется, причем ряд применений связан не только с достаточной мощностью лазерного излучения, но также с возможностью его проникновения в вакуумированные объемы и внутрь сложных конструкций (например, при очистке труб от коррозии и т.п.).

Лазерная очистка — химически чистый и недорогой процесс, который позволяет удалять широкий спектр примесей, включая такие, которые не удаляются традиционными способами, в частности, глубоко внедренные частицы и „толстые" органические пленки [1]. Нижний предел размера удаляемых частиц при лазерной очистке меньше 0,1 мкм. Таким образом, некоторые задачи, связанные с очисткой, принципиально невозможно решить, не прибегая к лазерным методам, например, очистка кремниевых подложек от частиц субмикронных размеров в микроэлектронике или удаление некоторых видов загрязнения при реставрационных работах.

При лазерной очистке может использоваться излучение малой плотности энергии, так что удаление загрязнений может осуществляться не только посредством испарения, но и в

твердой фазе, вследствие этого термическое воздействие на подложку оказывается незначительным. Возможность изменения в широких пределах параметров облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа поверхности. К преимуществам лазерной очистки относятся также дистанционность, отсутствие механического повреждения поверхности, высокая производительность.

Различают технологии сухой и влажной лазерной очистки, основанные на импульсном лазерном нагреве поверхностей — соответственно сухих или в присутствии тонкого слоя жидкости, нанесенного на поверхность перед облучением. При увеличении энергии импульса излучения сухая очистка переходит в очистку испарением. Технология сухой лазерной очистки отличается технической простотой, однако ее эффективность ниже, чем влажной, а необходимая энергия лазерного излучения (при использовании импульсов наносекундного диапазона) — выше [2]. Энергетические пороги влажной лазерной очистки в 2—3 раза ниже, чем сухой [3]. В ряде случаев сухая лазерная очистка сопровождается локальными повреждениями поверхности [2]. Когда указанные недостатки сухой очистки оказываются существенными, используют влажную.

Цель настоящей работы заключается в кратком рассмотрении основных физических механизмов лазерной очистки металлических поверхностей и представлении ряда новых схем обработки и возможностей их применения.

Физические механизмы лазерной очистки. Основным механизмом сухой лазерной очистки является быстрое тепловое расширение подложки и(или) частиц [4], которое приводит к возникновению механических напряжений в загрязняющем слое и инерционной силы при прекращении импульса. Если эти силы превосходят силу адгезии, происходит очистка (удаление частицы или покрытия с поверхности). В качестве сил адгезии могут проявляться [1]: силы Ван-дер-Ваальса, капиллярные силы (возникающие при наличии на поверхности между частицей и поверхностью тонкой жидкой пленки) и электростатические. Для микронных и субмикронных частиц преобладающими обычно являются силы Ван-дер-Ваальса, а также, в случае наличия жидкой пленки, капиллярные силы.

Удаление частиц с поверхности основного материала при сухой лазерной очистке происходит вследствие быстрого термического расширения частиц и(или) материала. В результате возникает инерционная сила, которая прижимает частицу к поверхности во время действия переднего фронта импульса и отрывает ее во время действия заднего фронта. Частица отрывается от поверхности, если инерционная сила превышает силу адгезии

где /а — сила адгезии частицы к поверхности основного материала, #тах — максимальная во время импульса плотность мощности падающего излучения, Т1 — длительность заднего

фронта импульса, т — масса фрагмента загрязняющего материала, а — линейный коэффициент термического расширения, А — поглощательная способность, р — плотность, с — теплоемкость. Индекс „ ^ " относится к основному материалу, „ р " — к загрязняющим частицам. Коэффициент к изменяется от 0 до 1 и определяет связь термического расширения всей частицы со смещением ее центра массы.

При лазерной очистке поверхности от покрытия основными причинами отрыва и удаления фрагментов покрытий в доиспарительном режиме являются термомеханические явления, к которым относятся термические напряжения, возникающие при нагревании, и перемещение центра массы поверхностного слоя при его нагревании (так же, как и для частиц). Термические напряжения, возникающие при лазерном нагревании слоя, приводят к его отторжению. Интенсивность процесса может быть охарактеризована скоростью движения фрагментов

Т1 ^ РЛ Ррср

V =

Е ав

р р еИ

где в — плотность поглощенной энергии импульса излучения, И — толщина покрытия, Е — модуль Юнга материала покрытия.

При увеличении интенсивности излучения отрыв и удаление покрытия могут происходить также в результате образования полостей между пленкой и подложкой и возникновения в них избыточного давления (взрывные механизмы), вследствие газификации основного материала, термодесорбции газа, адсорбированного на его поверхности или в порах покрытия, или испарения материала покрытия в замкнутые полости в области дефекта на границе с основным материалом.

Если энергия импульсов достаточно велика, происходит испарение загрязняющих частиц (загрязняющего слоя). В этом случае очистка происходит интенсивнее, но более значительным оказывается тепловое воздействие на основной материал. График зависимости толщины удаленного слоя покрытой коррозионным слоем стальной пластины Иуд и площади пятна £ от плотности мощности лазерного излучения при постоянных энергетических параметрах лазерного излучения, иллюстрирующий смену термомеханического и испарительного режимов лазерной очистки поверхности, приведен на рис. 1.

"уд> мкм

мм2

Термомеханический режим

60 6

50

частичное удаление

полное удаление

Испарительный режим

повреждение основного материала

40

30

20

10 1

0

50

200

д, МВт/см2

100 150

Рис. 1

Физический механизм влажной лазерной очистки связан с удалением загрязняющего вещества с поверхности основного материала при кипении находящегося на ней тонкого слоя жидкости.

Для успешного проведения лазерной очистки необходимо сочетать высокую эффективность (что требует применения коротких — субнаносекундных — импульсов излучения) с воздействием, исключающим повреждение поверхности (что требует применения достаточно длинных импульсов и умеренной плотности энергии излучения). Для удовлетворения этим противоречивым требованиям необходимы точный выбор параметров режима обработки в каждом конкретном случае и применение специальных подходов и методов, в частности, разработанных авторами настоящей статьи.

Нетрадиционные схемы лазерной очистки. Очистка поверхности через прозрачную пленку-коллектор с целью сбора загрязнений. В ряде задач, связанных с лазерной очисткой, возникает потребность в удержании и изоляции удаляемых загрязнений — самым ярким примером является лазерная дезактивация узлов и деталей ядерных энергетических установок. Применение излучения УЛО:Кё-лазера в режиме наносекундных импульсов позволяет

удалять поверхностные коррозионные слои толщиной до 200 мкм без оплавления и испарения основного материала. Авторами предложен способ дезактивации, при котором обработка лучом происходит через прозрачную для длины волны 1,06 мкм пленку, разделяющую „грязную" и „чистую" зоны обработки и в то же время (за счет нанесенного со стороны обрабатываемого материала клеевого слоя) адсорбирующую продукты очистки. Утилизация отходов может производиться вместе с пленкой. На рис. 2 показана принципиальная схема лазерной обработки через пленку [5], здесь 1 — основной материал, 2 — плотный тонкий окисный слой, 3 — пористый коррозионный слой, 4 — прозрачная сорбирующая пленка, 5 — адсорбированные продукты очистки, 6 — лазерное излучение, V — скорость движения лазерного пучка.

6 -—*

3

2

Рис. 2

Очистка пучком, направленным под углом к поверхности. В технологии лазерной очистки обычно луч направлен перпендикулярно поверхности. Как показали наши эксперименты, при наклонном падении пучка излучения на поверхность качество очистки повышается. На рис. 3 представлены варианты расположения облученных и теневых областей при нормальном (а) и наклонном (б) падении излучения.

Доступ лазерного излучения к подложке свободен при достаточном угле падения, следовательно, термоупругие напряжения около или под прилипшей частицей грязи намного выше, чем в случае вертикального облучения. Соответственно частицы легче отрываются от поверхности. Кроме того, при изменении угла наклона луча к поверхности увеличивается площадь пятна в обрабатываемой зоне, что повышает эффективность обработки при условии, что плотность мощности в пятне достаточна для очистки. При облучении поверхности под углом 20° обработанная площадь увеличивается в 10 раз по сравнению с площадью, обработанной за то же время под прямым углом.

а) Излучение

! 1111

б)

Излучение

Рис. 3

В случае применения сорбирующих пленок одной из проблем, возникающих при нормальном падении лазерного излучения к поверхности, является попадание продуктов очистки в зону лазерного излучения и перенос уже осажденных на сорбирующей пленке загрязнений обратно на очищаемую поверхность. Это обстоятельство приводит к снижению количества осажденных на сорбирующей пленке частиц грязи. Для снижения неблагоприятного воздействия данных факторов можно использовать при лазерной очистке наряду с сорбирующими пленками подачу лазерного излучения в зону обработки под углом.

Фотографии, полученные методом высокоскоростной съемки, демонстрируют взаимное пространственное расположение летящих продуктов очистки и пучка УЛО:Кё-лазера при нормальном (а — угол 90°) и угловом (б — 45°) облучении (рис. 4).

Лазерное излучение 1,06 мкм

а)

Рис. 4

Качественная оценка сорбирующей пленки после обработки загрязненной поверхности наклонным пучком излучения показала большую по сравнению с нормальным способом облучения концентрацию осажденных продуктов.

Некоторые новые применения лазерной очистки. Очистка микроотверстий. Необходимыми элементами ряда технических устройств являются микроотверстия. Примером изделий с микроотверстиями могут служить фильтры, изготовленные из тонколистовой стали. Такие фильтры широко применяются в химической и пищевой промышленности, в медицине

и других областях. Для очистки засоренных ячеек фильтра используются химические, механические и ультразвуковые методы. Чистка фильтров традиционными методами экономически не всегда обоснованна, так как стоимость очистки может превышать стоимость изготовления фильтра.

Нами продемонстрирована возможность применения лазерного метода очистки микроотверстий. Достоинствами метода являются высокая эффективность, простота и экономичность метода, химическая чистота процесса. При этом на материал оказывается минимальное механическое и термическое воздействие, что позволяет получить неповрежденную обрабатываемую поверхность. На рис. 5 представлены образцы фильтров до (а) и после (б) лазерной очистки фрагмента поверхности, расстояние между отверстиями — 1 мм.

Рис. 5

В экспериментах по очистке использовалась лазерная установка на основе YAG:Nd-лазера (длина волны излучения 1,06 мкм, частота следования импульсов 50 Гц, длительность импульса 10 нс, средняя мощность излучения 8 Вт).

Снятие поверхностного слоя. В ряде технологических процессов, обеспечивающих продление срока службы, реконструкцию устройств, при восстановительных и реставрационных работах необходимо снятие поверхностного слоя материала. Такая задача возникает, например, в авиапромышленности при попытке вторичного использования лопаток турбин. В этом случае необходимо снять с изделия слой весьма твердого и жаропрочного алмазоподобного покрытия — нитрида титана. Очистка турбинных лопаток от нитрида титана успешно реализована с помощью лазерной установки на основе волоконного лазера мощностью 10 Вт. На рис. 6 приведены микрофотографии поверхности лопатки, полученные при помощи сканирующего зондового микроскопа до очистки (а) и после (б), видно существенное уменьшение количества загрязнений поверхности (черные пятна).

0 20 60 100 мкм 0 20 60 100 мкм

Рис. 6

Очистка предметов исторического и культурного наследия. Сохранение и реставрация произведений искусства и исторических ценностей становится в наши дни важнейшей задачей мирового масштаба. Использование в этих целях традиционных методов очистки (механических, абразивных, химических) часто не приносит желаемого результата или влечет за собой утерю какого-то количества исходного материала, а также может вызвать неконтролируемые химические реакции.

Область возможного применения метода при очистке произведений исторического и культурного наследия довольно широка и включает реставрацию картин, икон, фресок, мраморных, гранитных и металлических скульптур, монет и т. п. Ограничимся рассмотрением лазерной очистки металлических поверхностей — преимуществами здесь являются локальность, бесконтактность, возможность обработки труднодоступных участков, свойственные всем технологиям лазерной обработки. Кроме того, в данном случае важные достоинства лазерной очистки — это возможность сохранения микрорельефа поверхности и оптическая обратная связь: при полном удалении поверхностного окисного или коррозионного слоя отражение излучения от чистой металлической поверхности резко увеличивается и абляция прекращается.

Результаты экспериментов по лазерной очистке с помощью YAG:Nd-лазера представлены на рис. 7 и 8; рис. 7 — греческая монета (II век до н.э., частная коллекция) до (а), в процессе (б) и после лазерной очистки (в). На рис. 8 представлены статуэтка (высота 10 см) скульптуры П. К. Клодта после лазерной очистки (кроме хвоста) и медная статуя Петра I в натуральный рост в процессе очистки (стрелками указаны зоны очистки).

а)

б)

О

Рис. 7

а)

б)

Рис. 8

Работа проведена при поддержке гранта РФФИ № 07-02-00894-а и гранта РГНФ-БРФФИ № 07-01-90107а/Б.

список литературы

1. Lu Y. F., Ren Z. M. Laser microprocessing and the applications in microelectronics industry // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4157. P. 191—199.

2. Oltra R., Arenholz E., Leiderer P. et al. Modelling and diagnostic of pulsed laser-solid interaction. Applications to laser cleaning // Proc. SPIE. 2000. Vol. 3885. P. 499—508.

3. Boneberg J., Mosbacher M., Dobler V., Leiderer P. Dry and steam laser cleaning of Si surfaces: efficiencies and problems // Proc. IX Int. Conf. on Laser-Assisted Microtechnology. St.-Petersburg, Russia, 2000. P. 43—44.

4. Veiko V. P., Shakhno E. A. Physical mechanisms of laser cleaning // Laser cleaning / Ed. by B. S. Luk'yanchuk. Singapore: World Scientific, 2002. P. 311—340.

5. Veiko V. P., Shakhno E. A., Smirnov V. N., Miaskovski A. M., Borovskih S. S. Laser cleaning of radioactive contaminated surfaces // Proc. Seminar on Appl. of Lasers in Mater. proc. Jadavpur University, Kolkata, India, February 3—4, 2006. P. 135—139.

Рекомендована кафедрой лазерных технологий и экологического приборостроения

Поступила в редакцию 26.12.07 г.