Исследование механизмов формирования нанопористой структуры в многокомпонентной латуни при термоциклировании лазерным воздействием

Нанопористые материалы с высокой эффективностью применяются в таких развивающихся отраслях, как биотехнология, водородная и углеводородная энергетика, химическая, нефтехимическая, пищевая, фармацевтическая промышленность, а также при решении ряда важнейших вопросов, связанных с подготовкой и очисткой питьевой воды [1-3]. Улучшенные физико-механические и технологические свойства металлических нанопористых материалов определяют их преимущества перед используемыми в настоящее время полимерными и керамическими. Применяемые методы изготовления нано-пористых металлических материалов, к которым относят электрохимическое селективное выщелачивание, селективное анодное травление, селективное растворение, компактирование порошков и пленочные технологии [4-7], имеют значительные технологические ограничения по стабильности размеров пор, а изготавливаемые изделия характеризуются пониженными механическими свойствами и относительно высокой стоимостью. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляют вопросы создания новых методов формирования нанопо-ристых структур металлических материалов.

Целью данной работы является исследование механизмов формирования нанопористой структуры в многокомпонентной латуни циклическим упруго-пластическим деформированием при лазерном воздействии.

ЛАТУНИ

Прогрессивным направлением создания на поверхности металлических материалов нанопо-ристых слоев является применение лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов. Так, в работах [8-12] определены условия формирования лазерным воздействием нанопористых структур в металлическом материале – двухкомпонентном сплаве латунь Л62. Установлено, что после лазерного воздействия в приповерхностном слое материала происходит образование нанопор, как одиночных, так и образующих разветвленные каналы, достаточно равномерно распределенных по площади. Такая структура формируется за счет образования вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материала, создания градиента концентраций и диффузии материала с относительно высокой упругостью паров к поверхности. Для целенаправленно изменения распределения плотности мощности воздействующего лазерного излучения используются элементы дифракционной компьютерной оптики -фокусаторы излучения [13-16].

В качестве исследуемого материала выбран сплав системы Cu-Zn-Al-Fe – многокомпонентная алюминиевожелезистая латунь с содержанием меди 58…61 %, цинка 34,7…40,4 %, алюминия и железа по 0,75…1,5 %. Предварительно шлифованные образцы из латуни толщиной 0,05 мм размещались на подложке из металлического материала. Воздействие на образцы из сплава системы Cu-Zn-Al-Fe осуществлялось с исполь- зованием газового CO2-лазера ROFIN DC 010, выходная мощность которого в импульсно-периодическом режиме генерации выбиралась в диапазоне 50…300 Вт при частоте следования импульсов 3…5 Гц, диаметр пучка с гауссовским распределением интенсивности составлял 20 мм.

Циклическое упруго-пластическое деформирование при лазерном воздействии также является методом формирования нанопористых структур металлических материалов [17]. В этом случае образование наноразмерных полостей между структурными элементами двухфазных и многофазных сплавов проводится путем приложения тепловой энергии к локальным участкам поверхности. Причиной возникновения нано-размерных пор и (или) каналов в этом случае являются внутренние напряжения, возникающие вследствие зонального высокоэнергетического воздействия, сопровождающегося значительным разогревом металла в сочетании со структурными превращениями. Возникающие при этом циклические упруго-пластические деформации протекают в определенном интервале температур и приводят к образованию нано-пористых структур.

При циклическом нагреве и охлаждении с высокими скоростями процессы диффузии и фазовых превращений в металлических материалах развиваются в существенно неравновесных условиях, ответственных за формирование напряженного состояния. Растворимость отдельных компонентов при нагреве значительно изменяется (как правило, повышается). Поэтому при нагреве происходит диффузия компонентов в зоны с повышенной температурой из прилега- ющих областей. Обратная диффузия компонентов при высоких скоростях охлаждения происходить не успевает, образуется зоны пересыщенного твердого раствора. В результате возникают дефекты кристаллической решетки, появляются области со значительными нерелаксирующими внутренними напряжениями. Если величина внутренних напряжений превышает предел текучести, то образуются локальные деформации. При превышении предела прочности – зарождаются несплошности. В зависимости от распределения компонентов сплава в зоне термического влияния происходит чередование участков с преобладанием растягивающих или сжимающих напряжений, что приводит к образованию наноразмерных полостей. В многокомпонентных сплавах термоциклирование сопряжено с перераспределением компонентов между фазами, формированием метастабильных и стабильных состояний. Фазовые превращения в твердом состоянии интенсифицируют процесс формирования нанопористых структур.

Определены режимы лазерной импульснопериодической обработки с термоциклированием при которой в центре зоны термического влияния в исследуемом материале образуется имеющий форму круга и четкую границу участок диаметром более 4 мм, характеризующийся гофрообразным рельефом (рис. 1. а). При этом обратная сторона образцов имеет более сглаженный рельеф поверхности (рис. 1 б). Периферийная область зоны термического влияния характеризуется наличием складок, ориентированных в радиальном направлении. Наличие складок является признаком увеличения объе-

Рис. 1. Поверхность образца после лазерного воздействия с термоциклированием (а); обратная сторона образца, характеризующаяся более сглаженным рельефом (б)

ма локального участка многокомпонентной алюминиевожелезистой латуни в зоне наибольших перепадов температур.

Проведены исследования образцов из сплава системы Cu-Zn-Al-Fe методом растровой электронной микроскопии. Для проведения исследований применялся аналитический растровый электронный микроскоп VEGA\\ SB, Tescan с системой электронно-зондового энергодисперсионного микроанализа INCA Energy SEM компании Oxford Instruments. Диапазон ускоряющего напряжения 0,2…30 кВ; источник электронов – вольфрамовый катод с термоэлектронной эмиссией; ток пучка электронов 1 пА…2 мкА; разрешение в режиме высокого вакуума (SE) 3,0 нм при 30 кВ; рабочий вакуум – режим высокого вакуума < 1 x 10-2 Па; четырехлинзовая электронная оптика Wide Field Optics, обеспечивающая различные режимы работы и отображения; увеличение непрерывное от 6х до 1 000 000х (для обеспечения максимального увеличения применяются специальные методики); скорость сканирования 160…10 мс на пиксель, регулируется ступенчато или непрерывно.

Установлено, что в результате импульснопериодического лазерного воздействия с термоциклированием на сплав системы Cu-Zn-Al-Fe – многокомпонентную алюминиевожелезистую латунь толщиной 0,05 мм в удаленной области обработки, находящейся на расстоянии 1…1,5 мм от центра зоны термического влияния, формируется дендритная структура α -твердого ра- створа. Полученное с помощью аналитического растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan изображение поверхности этой области представлено на рис. 2. В центральной части зоны термического влияния на поверхности материала наблюдается выделения глобулярной формы фазы с более высокой температурой фа-

Рис. 2. Дендритная структура α -твердого раствора, образующаяся в образцах на расстоянии 1…1,5 мм от центра зоны термического влияния; увелич. х800

Рис. 4. Морфология поверхности центральной части зоны термического влияния сплава системы Cu-Zn-Al-Fe с наноразмерными порами канального типа; увелич. х6000

Рис. 3. Выделения фазы, обогащенной Fe, в центральной части зоны термического влияния на поверхности металлического материала; увелич. х1000

зового перехода, обогащенной Fe. Структура материала в этой области, представленная на рис. 3 и 4, содержит поры канального типа, ширина которых составляет ~80…100 нм.

Данная запатентованная технология [17, 18] перспективна для производства катализаторов и ультрафильтрационных мембран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Циклическое упруго-пластическое деформирование при лазерном воздействии является перспективным методом формирования нанопорис-тых структур металлических материалов. При циклическом нагреве и охлаждении с высокими скоростями процессы фазовых превращений и диффузии в металлических материалах развиваются в неравновесных условиях. В результате возникают дефекты кристаллической решетки, появляются области со значительными нерелаксирующими внутренними напряжениями. В зоне термического влияния происходит чередование участков с преобладанием растягивающих или сжимающих напряжений, что приводит к образованию наноразмерных полостей. В многокомпонентных сплавах фазовые превращения в твердом состоянии интенсифицируют процесс формирования нанопористых структур.

Определены режимы лазерной импульснопериодической обработки с термоциклированием, обеспечивающие формирование нанопорис-той структуры многокомпонентной алюминиевожелезистой латуни. В центральной части зоны термического влияния формируются поры канального типа, ширина которых составляет ~80…100 нм. Причиной образования наноразмер-ных пор являются внутренние напряжения, возникающие в материале вследствие циклического нагрева и охлаждения с высокими скоростями.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.