СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОРИСТЫХ СЛОЕВ
METHOD FOR FORMATION OF NANOSTRUCTURED POROUS LAYERS

Изобретение относится к формированию наноструктурированных пористых слоев твердокристаллических материалов воздействием энергетических потоков и может применяться при получении наноструктурированных поверхностных слоев в сплавах типа твердый раствор, а также сквозных нанопор в металлических фольгах и пленках.
Известен способ нанесения пленочного покрытия, заключающийся в подаче рабочего газа в вакуумную камеру, импульсной генерации потока плазмы и пучка высокоэнергетических ионов и поочередном их воздействии на подложку через определенный временной промежуток (Патент РФ №2339735 С23С 14/35, С23С 14/48, В82В 3/00 (2006.01), опубл. 27.11.2008, Бюл. №33).
Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные необходимостью комбинированного использования плазменных, ионных и вакуумных технологий, при реализации которых должны приниматься меры для подавления высоковольтного пробоя ускоряющих промежутков, невозможностью получения пористых покрытий, создания сквозной пористости при компактной подложке, необходимостью обеспечения адгезии между покрытием и подложкой, а также использованием дорогостоящего технологического оборудования (вакуумных камер).
Наиболее близким техническим решением является способ получения изделий из титановых сплавов, заключающийся в изготовлении заготовки, предварительно насыщаемой водородом методом термодиффузии, отожженной в вакууме и отполированной, и ее последующем вакуумном ионно-плазменном азотировании (Патент РФ №2338811 С23С 8/36, С23С 8/02, A61F 2/02, В82В 3/00 (2006.01). Опубл. 20.11.2008, Бюл. №32).
Недостатками известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные применимостью только для титановых сплавов, невозможностью получения пористых слоев, сложностью получения заготовок, связанной с необходимостью насыщения заготовки водородом и проведения последующего отжига и полировки, а также с необходимостью использования вакуумных камер при отжиге и ионно-плазменном азотировании.
В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей способа формирования наноструктурированных поверхностных слоев за счет активизации воздействием энергетическими потоками процессов сублимации одного из компонентов сплава типа твердый раствор с последующей деформацией заготовки, а также за счет исключения операций насыщения заготовки водородом, полировки и ионно-плазменного азотирования.
1
B
1
T
0,2
B
Данная задача решается за счет того, что в способе формирования наноструктурированных пористых слоев, заключающемся в формировании субмикропористого поверхностного слоя путем энергетического воздействия на листовые или трубчатые заготовки из сплавов типа твердый раствор, согласно изобретению формирование наноразмерной пористой структуры осуществляют последующей пластической деформацией заготовок с изменением характерного размера и глубины пор приложением растягивающих напряжений при растяжении или изгибе в пределах σ<σ<S, где σ - предел текучести материала σ либо условный предел текучести σ для материалов, не имеющих площадки текучести, σ - напряжение при деформации, S - истинное напряжение начала локальной деформации; либо приложением сжимающих напряжений при сжатии или изгибе в пределах , где  - условный предел текучести при сжатии,  - напряжение разрушения при сжатии; при температурах, не превышающих температуру порога рекристаллизации, причем формирование наноразмерной пористой структуры проводится как с одной, так и с обеих сторон заготовок в зависимости от их состояния до деформации.
1
1
В случае листовых заготовок формирование наноразмерной пористой структуры проводится как с одной, так и с обеих сторон заготовок в зависимости от их состояния до деформации. В случае трубчатых заготовок - на внешней и/или на внутренней поверхностях, подвергаемых воздействию сжимающих и растягивающих напряжений. При наличии пористой структуры на обеих поверхностях заготовки, представляющей собой фольгу или пленку, и выполнении условия 2b>h, где b - глубина поры после деформации, h - толщина материала, происходит образование сквозных пор.
На фиг.1,а представлены: структура субмикропористой поверхности образца из сплава типа твердый раствор Л63 после лазерного воздействия; микроструктура образца из сплава Л63 (×500), сформировавшаяся в процессе сублимации при отжиге в вакууме; на фиг.1,б - схематическое изображение пор различной формы, образующихся на поверхности образца и в приповерхностном слое. Формирование субмикропористого поверхностного слоя проводилось либо путем длительного (более 50 часов) отжига в вакууме при температуре 740±15 К, либо продолжительным и интенсивным лазерным воздействием мощностью до 500 Вт. После лазерного воздействия на поверхности латуни образуется пористый слой меди с открытыми (коническими и сложной формы), а также глухими порами. Характерный размер а открытых пор на поверхности достигает 200 нм, а глубина b - менее 2-10 мкм. Глухие поры имеют характерный размер с до 120 нм.
На фиг.2 представлена схема изменения параметров пор при деформациях: при растяжении - фиг.2,а, при сжатии - фиг.2,б, при изгибе - фиг.2,в.
Предполагаемый способ формирования наноструктурированных поверхностных покрытий заключается в следующем. После воздействия энергетическими потоками (нагрев при отжиге в печи, лазерное воздействие) на листовые или трубчатые заготовки из сплава типа твердый раствор они подвергаются пластической деформации с целью регулирования размеров пор. При этом исходная пористая структура формируется воздействием энергетическими потоками на одной либо на обеих сторонах листового материала, а на трубчатых заготовках - с внешней и/или с внутренней стороны. Последующую пластическую деформацию можно проводить приложением к заготовке растягивающих или сжимающих напряжений при растяжении (сжатии) или изгибе.
1
B
1
T
0,2
B
B
B
B
B
B
T
0,2
1
1
При растяжении пластическая деформация проводится в области растягивающих напряжений σ<σ<S, где σ - предел текучести материала σ либо условный предел текучести σ для материалов, не имеющих площадки текучести (например, медные и алюминиевые сплавы), σ - напряжение при деформации, S - истинное напряжение сопротивления образованию шейки, определяемое формулой S=P/F, P - усилие образования шейки, F - площадь при усилии образования шейки. Превышение физического σ либо условного предела текучести σ необходимо для осуществления пластической деформации. При превышении истинного напряжения сопротивления образованию шейки заканчивается равномерная пластическая деформация и начинается сосредоточенная. Если исходный образец представляет собой фольгу или пленку, то при наличии пористой структуры на обеих сторонах заготовки могут образовываться сквозные поры при выполнении условия 2b>h, где b - глубина поры после деформации, h - толщина материала.
При сжатии также осуществляется равномерная пластическая деформация в области сжимающих напряжений , где  - условный предел текучести при сжатии,  - напряжение разрушения при сжатии. Такой способ регулирования размеров пор может использоваться для листовых заготовок, имеющих пористую поверхность с одной или с обеих сторон, и для трубчатых заготовок с внешней и/или с внутренней пористой поверхностью. Для цилиндрических образцов сжатие проводится при осаживании в оправке, предназначенной для обеспечения устойчивости.
При изгибе листовых и трубчатых заготовок удовлетворительное регулирование размеров пор может достигаться как со стороны образца, подверженной воздействию напряжений одного знака (растягивающих или сжимающих), так и на обеих сторонах при выполнении условий, необходимых для протекания равномерной пластической деформации.
пл
пл
Пластическая деформация должна осуществляться при температурах, не превышающих температуру порога рекристаллизации, которая для чистых металлов составляет 0,4 Т, Т - температура плавления. В противном случае процессы рекристаллизации будут приводить к залечиванию пор.
В лаборатории мощных лазеров Научно-образовательного центра лазерных систем и технологий и на кафедре технологии металлов и авиационного материаловедения СГАУ проведены экспериментальные исследования по формированию наноструктурированных пористых покрытий при воздействии энергетическими потоками на образцы из сплава Л63 (двухфазная латунь) и последующей их деформации.
Исследовались плоские заготовки с размерами 70×20×2 мм. Для исключения влияния загрязнений, обусловленных технологическим процессом изготовления (прокатка), до проведения экспериментов с поверхности образцов стравливался слой толщиной 0,2 мм.
Осуществлялось энергетическое воздействие двух видов: лазерным излучением и отжигом в вакууме. Формирование субмикропористого поверхностного слоя проводилось путем отжига в печи СШВЛ-1600 в вакууме при температуре 740±15 К в течение 50…55 часов.
2
Для осуществления лазерного воздействия использовался газовый СО-лазер ROFIN DC 010, работающий в квазинепрерывном режиме. Частота следования импульсов составляла 5 кГц, диаметр пучка с гауссовским распределением интенсивности был равен 20 мм. В процессе воздействия наблюдалось изменение окраски поверхности материала. Она приобретала красный цвет, что наблюдалось визуально. Нагрев образцов проводился в течение различных интервалов времени. При мощности излучения 500 Вт время выдержки образцов до покраснения было минимальным и составляло 5-15 минут. При мощности излучения 200 Вт изменение цвета поверхности происходило после 35-40 минут.
После лазерного воздействия наблюдалось уменьшение массы образцов до 1,8…2,5%, что регистрировалось при взвешивании на аналитических весах WA-31 с точностью 0,05 мг.
Исследования поверхностного слоя латуни после лазерного воздействия проводились с использованием оптических микроскопов Neophot-30, Stemi-1000 и методом растровой электронной микроскопии на установке Philips 525 при ускоряющем напряжении 25 кВ. Анализ элементного состава выполнялся в интегральном режиме, при котором глубина анализируемого металла превышает величину нескольких десятков микрометров.
Металлографическими исследованиями установлено, что воздействие энергетических потоков на твердокристаллический материал вызывает изменение рельефа поверхности. В зависимости от длительности выдержки в вакууме при отжиге и от величины плотности мощности в пятне нагрева, а также длительности лазерного воздействия эти изменения проявляются как в развитии, так и в сглаживании рельефа. После воздействия энергетическими потоками на поверхности образца формируется пористая структура с порами в виде каналов, сужающихся к основанию, имеющими характерный размер на поверхности порядка 1 мкм и глубину 50-200 мкм, равномерно распределенными по площади.
В результате анализа элементного состава образцов до осуществления энергетического воздействия с помощью растрового электронного микроскопа Philips 525, снабженного приставкой энергодисперсионного элементного анализа, установлено, что они содержали 60,5-62,0 вес.% Cu; 37,5-39,2 вес.% Zn и 0,3-0,5 вес.% примесей, что соответствует ГОСТ 2208-07. Анализ элементного состава поверхности образцов после энергетического воздействия в пересчете на компактный материал показал увеличение относительного содержания меди до 70,7-73,3 вес.%, снижение доли цинка до 26,2-29,0 вес.% и наличие 0,3-0,5 вес.% примесей. Проведенный анализ подтверждает, что после осуществления энергетического воздействия поверхность образцов характеризуется более низким содержанием Zn, чем до обработки. Это подтверждает протекание процессов сублимации цинка в результате энергетического воздействия при указанных параметрах.
B
B
Испытания на растяжение образцов проводились на разрывной машине Tiratest-10000 при скорости растяжения 1 мм/мин при температуре 300 К с записью диаграммы растяжения, по которой при разрыве первого образца определялось напряжение сопротивления образованию шейки S. Последующие образцы растягивались до напряжения 0,8 S.
В результате металлографических и электронно-микроскопических исследований было установлено изменение характерного размера микропор и субмикропор на поверхности на 10-25%, глубина пор также увеличивалась на 10-25%.