СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF FORMATION OF NANODIMENTIONAL SUPERFICIAL COATINGS

Изобретение относится к изготовлению наноструктурированных металлических материалов воздействием концентрированных потоков энергии и может применяться при получении наноразмерных поверхностных покрытий в сплавах типа твердый раствор.
Известен способ получения металлических втулок с субмикро- и нанокристаллическим состояниями материала, заключающийся в получении заготовки и последующей обработке ее внутренней поверхности раздачей пуансоном с одновременной обкаткой наружной поверхности в роликовой матрице с фиксацией торцов заготовки (Патент РФ №2320443, B21D 51/02, C21D 7/04, C22F 1/00, В82В 3/00 (2006.01). Опубл. 27.03.2008 г.).
Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные применимостью только для деталей определенной геометрии из пластичных металлов и сплавов, а также обусловленные невозможностью получения нанопористой структуры материала; высокие затраты из-за износа дорогостоящей высокоточной технологической оснастки вследствие использования метода многократного контактного циклического воздействия при значительных нагрузках на инструмент.
Наиболее близким техническим решением является способ получения наноструктур, заключающийся в нанесении в вакууме на подложку фуллеритной пленки, облучении пучком электронов участков пленки выбранных формы и размера до требуемых структурных изменений и последующем удалении необлученных участков прогревом до температуры, достаточной для сублимации фуллерита (Патент РФ №2228900, В82В 3/00. Опубл. 10.09.2004 г.).
Недостатками известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные применимостью только для фуллеритных пленок, а также сложность его реализации, обусловленная необходимостью нанесения, последующего удаления фуллеритной пленки заданной толщины и травления ионами на заданную глубину.
В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей способа получения наноструктур за счет активизации лазерным воздействием процессов диффузии одного из компонентов твердокристаллических материалов типа твердый раствор, а также за счет исключения операций травления наноструктуры ионами и облучения в вакууме участков материала пучком сфокусированных электронов.
пл
f
пл
f
Данная задача решается за счет того, что в способе формирования наноразмерных поверхностных покрытий, заключающемся в энергетическом воздействии на предварительно очищенные участки поверхности твердокристаллического материала типа твердый раствор, согласно изобретению энергетическое воздействие осуществляют лазерным излучением с частотой следования импульсов не менее 4 кГц, при этом максимальная плотность мощности воздействующего импульсно-периодического лазерного излучения не превышает значения q<4,88λ(Т)·Т/D, где λ(Т) - коэффициент теплопроводности материала; Т - температура плавления материала; D - апертура лазерного излучения в плоскости обработки, нагрев осуществляют в течение промежутка времени не менее 30 секунд.
На чертеже представлены рентгенограммы поверхности образца из сплава Л63: сверху - до обработки, снизу - после обработки по предполагаемому способу формирования наноразмерных поверхностных покрытий.
пл
f
пл
f
Предлагаемый способ формирования наноразмерных поверхностных покрытий заключается в следующем. Образцы твердокристаллического материала типа твердый раствор подвергаются лазерному воздействию. Лазерное воздействие импульсно-периодическим излучением по достижении определенной температуры, не превышающей температуру плавления, позволяет формировать устойчивое напряженное состояние на поверхности образца. При этом максимальная плотность мощности воздействующего излучения выбирается из условия q<4,88λ(Т)·Т/D, где λ(Т) - коэффициент теплопроводности материала; Т - температура плавления материала; D - апертура лазерного излучения в плоскости обработки. Т. е. нагрев материала осуществляется до температур ниже температуры плавления. Энергия, вкладываемая в образец, расходуется на нагрев материала и излучение во внешнюю среду за счет процессов конвективной теплооотдачи и лучистого теплообмена. При определенной мощности, подбираемой экспериментально, обеспечиваются условия, когда материал находится в состоянии термодинамического равновесия при повышенной температуре. Нагрев осуществляется в течение промежутка времени не менее 30 секунд. При этом процессы диффузии компонентов твердого раствора активизируются как за счет нагрева материала, так и за счет цикличности лазерного воздействия, поскольку оба этих фактора способствуют повышению подвижности атомов.
В условиях лаборатории Научно-образовательного центра лазерных систем и технологий СГАУ проведены экспериментальные исследования влияния квазинепрерывного лазерного воздействия на структуру и свойства поверхностного слоя сплава типа твердый раствор.
2
Интенсивность образования наноразмерных поверхностных покрытий обуславливается температурными режимами обработки, которые при воздействии импульсно-периодического излучения определяются величиной и распределением плотности мощности в пятне нагрева и длительностью воздействия. Для осуществления энергетического воздействия использовался газовый СО-лазер ROFIN DC 010, выходная мощность которого имеет возможность плавного регулирования в пределах 100…1000 Вт, а исходный диаметр пучка с гауссовским распределением интенсивности составляет 20 мм. Контроль температуры в центре пятна нагрева осуществлялся с помощью инфракрасного термометра "Кельвин-1300 ЛЦМ" с лазерным целеуказателем, имеющим диапазон измерения температур 300…1300°С. Регистрируемые данные через интерфейс RS-232 поступали в персональный компьютер.
Исследовались образцы, изготовленные прокаткой из сплава Л63 (двухфазная латунь) размерами 150×45×1 мм (7), 70×20×2 мм (2), 100×35×2 мм (3). Поверхности образцов до лазерного воздействия специальной обработке не подвергались. Образцы либо размещались на подложке из материала с низкой теплопроводностью, либо закреплялись в фиксаторах при минимальной площади контакта с установочным приспособлением. Энергетическое воздействие осуществляли на участки материала лазерным излучением в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 3, 3,5, 4 и 5 кГц. Мощность воздействующего лазерного излучения составляла: 170 Вт для образцов 1, 300 Вт - для образцов 2 и 1 кВт - для образцов 3. Температура в центре зоны лазерного воздействия, до которой нагревались и при которой выдерживались образцы, составляла соответственно 700±10 К, 620±10 К и 400±10 К. В процессе воздействия излучением в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 4 и 5 кГц наблюдалось изменение окраски поверхностного слоя материала. Он приобретал красный цвет, что наблюдалось визуально. Нагрев образцов осуществлялся в течение различных интервалов времени. Исследования показали, что минимальное время выдержки образцов до покраснения составляло 30 секунд для образцов 1. Для образцов 2 изменение цвета поверхности становилось заметным спустя 5 минут. Воздействие лазерного излучения на образцы 3 в течение получаса не приводило к видимым изменениям цвета поверхности. Наиболее интенсивное изменение цвета обращенной к излучению поверхности образцов 1 и 2 наблюдалось при воздействии лазерного излучения в течение получаса. С увеличением времени воздействия поверхность образцов приобретала насыщенный красный цвет. Измерения массы образцов проводились на аналитических весах WA-31 с точностью 0,05 мг. Отмечено уменьшение массы образцов после лазерного воздействия до 0,025…0,05%. При воздействии на образцы в аналогичных режимах излучением в импульсно-периодическом режиме с частотами следования импульсов 3 и 3,5 кГц эффекта покраснения поверхности не наблюдалось. Лазер ROFIN DC 010 не позволяет проводить эксперименты с частотой следования импульсов более 5 кГц.
Исследования поверхностного слоя латуни после лазерного воздействия проводились с использованием металлографического инструментального микроскопа МИМ-8, растрового электронного микроскопа РЭМ 100У и дифрактометра рентгеновского общего назначения ДРОН-2,0.
Подготовка поверхности образцов для структурных исследований на микроскопе МИМ-8 осуществлялась механической обработкой, электролитической полировкой, а также ионным травлением на установке ВУП-2. Исследование поверхностного слоя латуни после лазерного воздействия позволило установить, что кратковременное (5-10 минут) лазерное воздействие на поверхность твердокристаллического материала вызывает изменение рельефа поверхности, который образован разветвленными канальцами. Структура поверхностного слоя образцов, подвергаемых более длительной выдержке (30 минут), представляет собой слой однородного материала без выраженного рельефа.
Рентгеноспектральный анализ проводился с использованием растрового электронного микроскопа РЭМ 100У. Зарегистрировано изменение химического состава, т.е. концентрации компонентов сплава в приповерхностном слое. Поверхность образцов после обработки представляла собой слой, обогащенный медью, что установлено результатами спектрографического анализа, поскольку в спектрах исчезали линии латуни и появлялись линии, характерные для меди. Результаты рентгенографических исследований позволили установить, что глубина слоя, обогащенного медью, составляла 50-70 нм.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы. При воздействии на образцы твердокристаллического материала лазерным излучением с частотой следования импульсов более 4 кГц в поверхностных слоях активизируются процессы диффузии как за счет повышения температуры образца, так и за счет цикличности воздействия. Основным механизмом обогащения поверхностного слоя медью является сублимация компонента сплава с более высокой упругостью пара (цинка). Длительное (в течение 30 минут) лазерное воздействие позволяет обеспечить формирование однородной структуры материала по глубине. Обработка лазерным излучением проводится без вакуумирования образцов и подачи инертного газа в зону воздействия, что позволяет снизить затраты на эксплуатацию дорогостоящего оборудования (вакуумных камер) и расходные материалы.