Формирование лазерного излучения для создания наноразмерных пористых структур материалов

Области применения наноструктурированных твердокристаллических материалов и изделий из них в различных сферах деятельности значительно расширяются [1-3]. Существующие методы и технологии изготовления таких материалов характеризуются значительными ограничениями по минимальным размерам пор, а сами изделия – низкими механическими свойствами при ударе, изгибе и других деформациях, низкой проницаемостью из-за повышенной толщины при использовании в качестве фильтрующих элементов и высокой стоимостью [4]. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляют вопросы создания новых методов наноструктурирования твердокристаллических материалов. Для получения таких структур эффективным является применение метода сублимации более легко испаряющегося компонента сплава [5, 6].

Формирование наноразмерных пористых структур материалов с улучшением физико-механических свойств при лазерном воздействии достигается путем создания определенного пространственного профиля интенсивности излучения в заданной области на поверхности объекта. Для управления профилем интенсивности целесообразно применить подвижный фоку-сатор излучения в отрезок, форма рабочей поверхности которого представляет собой аналог гиперболического параболоида.

Целью данной работы является исследование параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения и разработка рекомендаций для реализации метода создания наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов лазерным воздействием с целенаправленно изменяемым распределением плотности.

Исследование параметров фокального отрезка при формировании излучения подвижным фокусатором

Установлены закономерности изменения фокусного расстояния, длины и угла поворота фо- кального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора, представляющего собой зонное зеркало, составленное из частей гиперболического параболоида, смещенных по высоте на расстояние mλ /(2cosθ) , где m – целое число, λ – длина волны излучения, θ – угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости оптического элемента. Оптический элемент имеет следующие параметры: фокусное расстояние f = 0,835 м, максимальный радиус фокусируемого пучка R = 17,5∙10-3 м, угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости фокусатора θ = 45˚.

Проведен расчет влияния величины угла поворота подвижного фокусатора на изменение угла поворота лазерного пятна в фокальной плоскости, длины фокального отрезка и фокусного расстояния. Принято, что поверхность фокусатора эквивалентна поверхности соответствующего гладкого зеркала. Расчет проводился в следующей последовательности: дискретизация расчетной области оптического элемента; определение границ области излучения, падающего на оптический элемент; вычисление мощности излучения, падающего на элементарную площадку области фокусатора; расчет матрицы значений проекций углов наклона к оптической оси излучения лучей, отразившихся от оптической поверхности; вычисление матрицы значений координат пересечения отразившихся от фокусатора лучей с фокальной плоскостью; определение матрицы значений плотности мощности излучения в расчетной области и ее коррекция с учетом расходимости.

При повороте на угол ϕ такого оптического элемента происходит поворот лазерного пятна в фокальной плоскости на угол ϕ1 , длина лазерного отрезка L уменьшается и изменяется положение фокальной плоскости. В результате аппроксимации расчетных данных полиномами по методу наименьших квадра- тов были получены выражения, описывающие функ циональную связь ф1 (ф), f (ф) и L (ф):

Ф, = 0,068-ф3 -0,318-ф2 +1,334-ф,(1)

f = (19,394 -ф ⁸ - 243,71 -ф ⁷ + 1227,6 -ф ⁶ -

• -3154,1 -ф5 + 4257,7 -ф4 - 2614,4 -ф3 +

+ 294,83 -ф ² - 132,73 -ф + 835,0) - 10 - ³[м],

L = (0,13-ф6 -1,22-ф5 + 3,35-ф4 -0,883-ф3 + +5,0-ф2 -0,175-ф + 22,4)-10-3[м], где фе [0, п] - угол поворота фокусатора (рад).

Экспериментальные исследования влияния угла поворота подвижного фокусатора на изменение угла поворота лазерного пятна в фокальной плоскости, длины фокального отрезка и фокусного расстояния проведены на лазерном технологическом оборудовании. Использовался CO2 слэб-лазер ROFIN DC 010 с диффузионным охлаждением и высокочастотной накачкой, предназначенный для промышленного применения в процессах резки или сварки. Выходная мощность лазерной установки регулировалась в диапазоне 100…1000 Вт. Диаметр выходного пучка с гауссовским распределением интенсивности составлял 20∙10-3 м, а расходимость – не более 0,15∙10-3 рад.

На рис. 1–3 представлены результаты расчета и экспериментальных исследований параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения.

Рис. 1. Зависимость угла поворота фокального отрезка от угла поворота фокусатора

Проведенные исследования позволили обосновать целесообразность применения подвижного фо-кусатора излучения, представляющего собой зонное зеркало с рабочей поверхностью в форме гиперболического параболоида, для реализации лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности.

Рис. 2. Изменение фокусного расстояния f при повороте фокусатора на угол ф

Рис. 3. Зависимость длины фокального отрезка от угла поворота фокусатора. Радиус фокусируемого пучка R_Ф =10∙10^-3 м

Применение фокусатора излучения при реализации метода создания наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов лазерным воздействием

Проведены экспериментальные исследования влияния лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности на структуру приповерхностного слоя глубиной до 10…20 мкм твердокристаллического материала – латуни Л63. Для исследования были подготовлены образцы размером 70×20×2 мм. Их поверхность до лазерного воздействия специальной обработке не подвергалась. Образцы либо размещались на подложке из материала с низкой теплопроводностью, либо закреплялись в фиксаторах при минимальной площади контакта с установочным приспособлением.

Нагрев образцов осуществлялся квазинепрерыв-ным лазерным излучением с частотой следования импульсов до 5 кГц. Исследования показали, что при воздействии лазерного излучения мощностью 150…500 Вт наблюдалось покраснение обращенной к излучению поверхности образцов. С увеличением времени воздействия интенсивность окраски поверхности усиливалась. Измерения массы образцов проводились с использованием аналитических весов WA-31 с точностью 0,05 мг. Отмечено уменьшение массы образцов до 0,1…0,2 %.

Проводилось исследование приповерхностного слоя латуни после лазерного воздействия. Подготовка поверхности образца для микроструктурных исследований на инструментальном металлографическом микроскопе МИМ-8 осуществлялась механической обработкой, электролитической полировкой, а также ионным травлением на установке ВУП-2. На рис. 4 представлена микроструктура приповерхностного слоя материала после лазерного нагрева в течение 30 минут. Установлено, что в приповерхностном слое материала формируется нано-размерная пористая структура.

Рис. 4. Микроструктура приповерхностного слоя образца из сплава Л63 после лазерного воздействия (увеличение × 1000): 1 – нанопористый слой; 2 – исходная структура

Установлено, что лазерное воздействие на поверхность твердокристаллического материала вызывает изменение рельефа поверхности. В зависимости от температуры нагрева, времени выдержки и состояния поверхности эти изменения проявляются как в развитии (образовании углублений в виде канавок с клинообразным асимметричным поперечным сечением), так и в сглаживании 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 ме- дью, что установлено результатами спектрографического анализа и рентгенографических исследований.

После длительного воздействия лазерного излучения на рентгенограммах исчезают линии латуни и появляются линии, характерные для меди.

Заключение

Проведены исследования параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения, представляющего собой зонное зеркало с рабочей поверхностью в форме гиперболического параболоида. При повороте на угол φ такого оптического элемента происходит поворот лазерного пятна в фокальной плоскости на угол φ 1 , длина лазерного отрезка L уменьшается и изменяется положение фокальной плоскости. Проведенные исследования позволили обосновать целесообразность применения подвижного фокусатора излучения для реализации лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности.

Проведены экспериментальные исследования влияния лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности на структуру приповерхностного слоя твердокристаллического материала – латуни Л63. Показано, что при воздействии лазерного излучения мощностью 150…500 Вт в приповерхностном слое материала формируется наноразмерная пористая структура, представляющая собой слой, обогащенный медью.