Лазерный мир

Харькова А.В. // Современные наукоемкие технологии. – 2021. – № 8. – С. 132-136;

В настоящее время одним из актуальных направлений исследований является создание новых технологий и методик обработки, способствующих повышению физико-механических свойств различных деталей. Существует множество способов поверхностной обработки деталей, например закалка, микродуговая обработка, лазерная обработка и многие другие [1, 2]. Механические методы структурирования поверхности обычно включают в себя обработку при помощи резания, а также обработку под давлением (пластическое деформирование).

Существенным недостатком является то, что при помощи данных методик трудно добиться формирования микро- и наноструктур на поверхности детали с заданными свойствами. Химические методы включают в себя обработку поверхности детали при помощи травления. Однако для реализации химического метода требуется большое количество стадий подготовки, таких как подготовка деталей к химическому фрезерованию, нанесение специальных защитных покрытий; необходима последующая очистка детали обработки. Лазерное структурирование можно отнести к термическому методу, так как обработка производится за счет воздействия лазерным излучением высокой мощности. Лазерная поверхностная обработка является одним из самых эффективных инструментов для придания различным материалам совершенно новых функциональных свойств.

Лазерное структурирование поверхности происходит за счет образования на поверхности материала лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур. Данный процесс представляет собой одно из перспективных направлений современных научных исследований в области микроэлектроники, плазменной физики и наноматериалов. При помощи такой обработки становится возможным синтезировать строго упорядоченные структуры, имеющие микро- и наноразмеры на поверхности различных материалов. Структурирование при помощи лазерного излучения также отличается высокой производительностью и воспроизводимостью результатов [3]. Множество работ было посвящено модификации поверхности различных материалов, в результате которой образовывались данные структуры [4, 5]. За счет лазерной модификации поверхности происходит изменение физико-механических свойств материала, что оказывает существенное влияние на значение коэффициента трения и твердости поверхности материала.

Целью проводимого исследования являлась разработка нового метода обработки металлических деталей для повышения их физико-механических свойств, а именно повышения износостойкости материала, которая бы позволила производить точечную обработку, повысить эффективность обработки, а также максимально сократить количество стадий.

Материалы и методы исследования

Схема проведенного эксперимента представлена на рис. 1. На схеме имеются следующие обозначения: 1 – лазерная установка, 2 – лазерное излучение, 3 – светоделительная пластина, 4 – гальваносканер, 5 – вакуумная камера, 6 – регулятор давления, 7 – газовый баллон, 8 – вспомогательная жидкость, 9 – образец, 10 – позиционный столик, 11 – ПК, 12 – фотодетектор.

Рис. 1. Схема эксперимента

В качестве источника лазерного фемтосекундного излучения в работе использовалась Yb:KGW-лазерная система. Установка имеет следующие параметры излучения: длина волны – 1030 нм, длительность импульсов – 280 фс, частота следования импульсов – 10 кГц. Значение мощности лазерного излучения в среднем составляло 1,5 Вт. В качестве жидкой среды был использован гексан, в качестве буферного газа – аргон, в качестве образца применялась титановая пластина марки ВТ1-0. Образец погружался под слой вспомогательной жидкости. Значение давления менялось от 6,3 мбар до 22 бар. Для исследования коэффициента трения поверхности титана использовался трибометр.

Всего было обработано 10 образцов. На каждом образце были проведены 4 различных режима воздействия. На первых двух областях было проведено сканирование лазерным излучением, на первой области скорость сканирования лазерного луча составляла 10 мм/с, на второй – 100 мм/с. Плотность заливки – 20 линий на 1 мм. На 3-й и 4-й областях было произведено определенное количество импульсов лазерным излучением в точку: на 3-й – 10 импульсов в точку, на 4-й – 100 импульсов в точку. Плотность составляла 20 точек на 1 мм.

Результаты исследования и их обсуждение

Каждая обработанная область была исследована с помощью растрового электронного микроскопа. На рис. 2 показано сравнение некоторых результатов обработки при сканировании лазерным лучом. На каждом квадрате было проведено не менее 5 измерений размеров структур в различных областях. При помощи данной статистической обработки результатов измерений были получены средние значения периода поверхностных структур при различном давлении на каждом квадрате. В данной выборке представлена вся вышеуказанная генеральная совокупность, что позволяет сделать вывод о ее репрезентативности. Таким образом, проведено сравнение 10 областей обработки, каждая из которых включала 4 зоны, обработанные при разных давлении и режиме.

На рис. 2 хорошо заметно формирование так называемых ППС – поверхностно-периодических структур. Такое физическое явление возникает вследствие неравномерного нагрева материала на его поверхности. Образование электромагнитных волн, которые сосредоточены в поверхностном слое материала, приводит к появлению поверхностно-периодических структур. Такие волны образуются в результате интерференции падающей волны излучения и рассеянной волны дифракции, созданных материалом поверхности. Волны, формирующиеся на поверхности материала, вступают в интерференцию с падающим лазерным излучением. В результате процесса интерференции двух волн, которые перемещаются в разных направлениях, возникает результирующее пространственное распределение интенсивности. Такое распределение формируется строго с таким же периодом, как и у резонансной решетки. Когда значение интенсивности высоко, имеет место неоднородный разогрев среды, что в итоге приводит к увеличению высоты резонансного рельефа. Данный процесс происходит в связи с перераспределением температуры между подсистемами вещества. После остывания материала рельеф закрепляется в виде ППС. В случае сверхкоротких лазерных импульсов за время воздействия импульса успевает происходить только процесс перераспределения температур. Таким образом, вначале материал поглощает энергию излучения, вследствие этого энергия передается электронной подсистеме, после этого электронная подсистема передает энергию кристаллической решетке. За счет этого происходит формирование пространственного профиля температуры. Все остальные процессы имеют место уже после воздействия сверхкороткого импульсного излучения. Это может быть как плавление материала, испарение, так и тепловое расширение.