Лазерный мир

А. В. Жихарев, С. Г. Быстров, В. Я. Баянкин, Е. В. Харанжевский, В. Ф. Кобзиев // Химическая физика и мезоскопия, 2023

Проведено исследование о возможности получения интерметаллида Ni3Al с помощью лазерного излучения при облучении никелевой матрицы с нанесенным на ее поверхность распылением слоя 99.9%-ного алюминия. В исследовании использовались методы РФЭС, АСМ и измерения микротвердости. Лазерное воздействие на образцы осуществлялось со стороны напыленного слоя алюминия сфокусированным лучом лазера в атмосфере аргона. Обработка поверхности образцов производилась одним импульсом, но с различной плотностью мощности лазерного излучения. В результате эксперимента было установлено, что при выбранных режимах облучения происходит высокотемпературный нагрев облучаемой поверхности, приводящий к высокотемпературному окислению поверхности с образованием сложного оксида NiAl2O4 типа шпинель. Получение интерметаллида Ni3Al оказалось невозможно, т.к. в результате быстрого охлаждения образцов после прекращения действия лазера произошло «замораживание» всех протекающих в разогретом слое процессов.

Кроме традиционных способов получения интерметаллидов на основе алюминидов никеля большой интерес представляет модификация металлических систем с помощью лазерного воздействия. Данный интерес связан с тем, что лазеры в отличие от традиционных способов обработки могут обеспечить такое воздействие, которое позволит изменить в облучаемом материале лишь свойства его поверхностного слоя, не затрагивая внутренние слои. Только при этом необходимо учитывать, что образование интерметаллидов будет напрямую зависеть от количества энергии, переданной материалу при облучении, так как получение конкретного соединения определяется значением его энергии активации-образования. Также при выборе режимов лазерной обработки необходимо учитывать влияние на процесс формирования интерметаллидной прослойки и скорости нагрева облучаемого материала. Если скорость обработки высока, то потери тепла в системе будут малы, а значит можно сильно перегреть систему и быстро «заморозив» получившееся структурно-фазовое состояние не получить нужное соединение. Если же скорость обработки наоборот мала, то в системе наблюдается медленное повышение температуры, приводящее к заторможенному взаимодействию между элементами системы. Это также не способствует получению требуемого интерметаллидного соединения [4 — 7].

Таким образом, в случае применения лазерной обработки для формирования интерметаллидов необходимо четко понимать какие режимы лазерной установки необходимо задавать для облучения конкретного материала, и на какую глубину будет происходить его обработка. Поэтому необходимо изучать какие физические процессы протекают в исследуемом материале под действием лазера, и какие параметры лазерного излучения при этом устанавливались.

В качестве источника облучения использовался импульсный оптоволоконный иттербиевый лазер. Лазерное воздействие на поверхность образца с напыленным слоем алюминия осуществлялось сфокусированным лучом лазера в атмосфере аргона. При этом облучаемый образец располагался в фокусе луча лазера. Фокусное расстояние устанавливалось равным 250 мм. Область лазерной обработки на поверхности образца имела размеры 10*10 мм. Облучение заданной области происходило методом сканирования — построчным перемещением лазерного луча по заданным точкам в плоскости XY на выбранном участке обработки. Для того чтобы обрабатывалась вся зона облучения, шаг сканирования устанавливался таким же, как и диаметр фокального пятна (36 мкм).

В процессе лазерной обработки образцов воздействие лазера было одноимпульсным, а изменяемым параметром при облучении была плотность мощности лазерного излучения. Всего в работе использовалось три режима облучения со значениями плотности мощности лазерного излучения (q) равными 4.6-10° Вт/см2, 8.0-10° Вт/см2 и 2.Ы09 Вт/см2. Выбор этих режимов работы лазерной установки происходил на основе того, чтобы лазерное воздействие на объект воздействия было минимальным и без какого-либо выжигания поверхности образцов или разрушения и деформации образца. При этом длина волны генерируемого излучения, согласно паспорту установки, имела значение 1.064 мкм. Частота следования импульсов задавалась 20 кГц, а длительность импульса 100 нс.

После лазерной обработки согласно АСМ-исследованиям установлено, что во всех случаях лазерного воздействия облучение образцов приводит к высокотемпературному нагреву поверхности. На микроизображениях рельефа поверхности облученных образцов в зоне облучения наблюдается расплавление поверхности и образование после затвердевания в этой области более развитого и неоднородного рельефа (рис. 3). Проведенные на АСМ-изображениях измерения значений шероховатости поверхности показали изменение топографии облученных образцов от исходного состояния в сторону увеличения неоднородности рельефа и появлением больших перепадов высот (рис. 4). Измеренная средняя высота рельефа поверхности (Я2) увеличилась примерно в полтора раза для первого режима облучения и в два раза для образцов с большим воздействием. При этом средняя арифметическая шероховатость (Яа) увеличилась практически в три с лишним раза по сравнению с исходным состоянием.

ВЫВОДЫ

1. По АСМ-данным установлено, что во всех случаях лазерного воздействия исследуемые образцы подвергались сильному термическому воздействию, приведшему к расплавлению зоны облучения и увеличению ее развитости и неоднородности.

2. Согласно РФЭС-исследованиям обнаружено, что после лазерной обработки во всех случаях облучения не наблюдается образование каких-либо интерметаллидных соединений. В полученных спектрах отмечалось только наличие линии с энергией связи Еьм. = 74.0 эВ, соответствующей алюминию в составе алюминатов никеля №А1204. Такое соединение характеризуется как сложный оксид типа шпинели, который может возникать при высокотемпературном окислении свыше 1500 °С в результате взаимодействия образовавшихся в расплаве оксидов алюминия и никеля.

3. Ввиду отсутствия в поверхностных слоях облученных образцов упрочняющих фаз полученные значения микротвердости для этих образцов относительно исходного состояния находились в пределах погрешности измерения.

4. Выбранные режимы лазерной обработки не обеспечили в исследуемых образцах образование каких-либо интерметаллидных соединений на основе №-А1. По-видимому, после прекращения действия лазера в зоне облучения образцов, происходит быстрое охлаждение сильно разогретой области с «замораживанием» всех, протекающих в этом слое, процессов.

5. Выполненные исследования в проведенном эксперименте показали необходимость понизить уровень энергетического воздействия лазера на образцы (уменьшить плотность мощности лазерного излучения) для установления наиболее оптимальных режимов воздействия на образцы с целью обеспечения получения в поверхностном слое итерметаллидного соединения №3А1.

Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Центр физических и физико-химических методов анализа, исследования свойств и характеристик поверхности, наноструктур, материалов и изделий» УдмФИЦ УрО РАН в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ гос. регистрации 121030100002-0).

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-lazera-na-formirovanie-soedineniy-ni-al-v-poverhnostnyh-sloyah-nikelevoy-folgi-v-zavisimosti-ot-plotnosti-moschnosti/viewer