Изменение структуры металлических сплавов при термоциклировании лазерным воздействием до надэвтектических температур

Нанопористые материалы на основе металлов, например медно-цинковых сплавов, по сравнению с полимерными и керамическими, обладают повышенными физико-механическими свойствами, что обеспечивает более высокий ресурс работы, а также позволяет осуществлять восстановление их сорбционной способности, например обратным током жидкости. Использование таких материалов для создания фильтрационных мембран, катализаторов, значительно повышает эффективность работы и эксплуатационные характеристики изделий [1-3]. После проведения глубокого оксидирования возможно создание на их основе материалов для изготовления сенсоров газов-восстановителей [4-6].

В работах [7-11] установлено, что воздействие лазерного излучения на сплав типа твердый раствор, приводит к сублимации компонента с большей упругостью паров, что сопровождается формированием субмикро- и наноразмерных пор в приповерхностном слое образца. Определены температурно-скоростные режимы обработки,

позволяющие создавать структуру с более равномерным распределением пор. Для обеспечения формирования требуемого температурного воздействия и повышения производительности процесса создания пористых структур, целесообразно использовать фокусаторы излучения [12, 13 и др.]. Они позволяют преобразовать исходное лазерное излучение с гаусовским распределением плотности мощности по профилю пучка, например, в отрезок с равномерным распределением мощности [14-18]. Для формирования нанораз-мерных пор в твердой фазе металлов и сплавов также представляется перспективным использовать циклическое упруго-пластическое деформирование при обработке лазерным излучением [1921]. Высокие скорости нагрева и охлаждения, характерные для лазерного воздействия на металлические материалы, обеспечивают формирование широкого спектра неравновесных состояний. Реализация определенных температурноскоростных режимов обработки приводит к генерации дефектов структуры, накоплению внутренних напряжений. Если внутренние напряжения в обрабатываемом материале превышают предел прочности, то образуются микротрещины и поры. Циклическое лазерное воздействие также приводит к интенсификации диффузионных процессов, что ускоряет процессы выделения фаз и коагуляции вакансий с образованием субмикро- и наноразмерных пор. Описанные процессы происходят при циклическом нагреве ниже температур плавления. Представляет интерес изучение закономерностей процессов формирования структур металлических материалов при их нагреве до температур, соответствующих диапазону между линиями солидус и ликвидус на диаграмме состояния, с выделением эвтектики. В дальнейшем нагрев в данном диапазоне обозначим термином «надэвтектические температуры». Целью данной работы является исследование механизмов формирования нано-пористых структур в металлических сплавах при лазерном термоциклировании до надэвтектических температур.

ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Лазерному воздействию подвергали образцы толщиной 50 мкм из двойной латуни Л62, имеющей ГЦК-решетку. Основой сплава является α -фаза, представляющая собой типичный твердый раствор замещения. Фаза β является также раствором замещения, основой которой служит ин-терметаллид CuZn с ОЦК решеткой (период 0,294 нм). При термоциклировании происходит только изменение растворимости компонентов сплава, фазовые превращения в твердом состоянии отсутствуют. Это позволяет экспериментально исследовать механизмы формирования нанопористой структуры при термоциклировании лазерным воздействием, не связанные с фазовыми переходами в твердом состоянии. Термоциклирование осуществляли до надэвтектических температур.

Воздействие лазерным излучением проводили с помощью установки ROFIN StarWeld: с длиной волны 1,06 мкм. Требуемые температурно-скоростные режимы лазерной обработки обеспечивают выбором величины энергии, длительности, частоты и формы импульса, диаметра пятна на поверхности образца. При проведении обработки образцов из медно-цинковых сплавов энергию в импульсе лазерной установки регулировали в диапазоне 20…50 Дж при длительности импульса 0,5…20 мс.

На рис. 1 представлен внешний вид поверхности образцов из двухкомпонентной латуни Л62 пос-

Рис. 1. Внешний вид поверхности образца из сплава Л62 толщиной 50 мкм после импульснопериодической лазерной обработки с термоциклированием ле проведения импульсно-периодической лазерной обработки с термоциклированием. Заготовки для образцов были получены методом прокатки. Поверхность образцов не подвергалась дополнительной предварительной механической обработке.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведены металлографические исследования образцов из сплава Л62 после осуществления термоциклирования импульсно-периодическим лазерным воздействием. При исследовании структуры образцов латуни после обработки до надэвтектических температур выявлено различие в строении пор, размещающихся на границах и в объеме первичных дендритов. На первых стадиях термоциклирования нагревы выше температуры солидус проводят к сфероидизации эвтектических прослоек. В объеме дендритов формируются равноосные поры, которые располагаются в эвтектических сфероидах. На последующих стадиях термоциклирования поры внутри дендритов достигают размеров до 50…100 мкм, а пограничные поры становятся непрерывными. Увеличивается количество пор обоих типов, сообщающихся с внешней поверхностью образца. При импульсно-периодической лазерной обработке с термоциклированием выше температуры эвтектики в объеме и на поверхности образца происходит формирование субмикро- и нанопористой структуры. Данный слой имеет губчатую мелкодисперсную структуру. Нанопоры имеют форму близкую к равноосной и объединяясь, образуют субмикропоры.

На поверхности образцов из двухкомпонентной латуни толщиной 50 мкм после импульсно-периодической лазерной обработки с термоциклированием до надэвтектических температур, сформировались поры близкой к сферической формы. Поры имеют строчную структуру, ориентированную вдоль направления прокатки. На начальных стадиях термоциклирования, в центральной части зоны термического влияния, при реализации выбранных режимов происходит складкообразование, на последующих циклах нагрева-охлаждения лазерным излучением материал на указанных участках разрушается. Размер пор достигает 50…100 мкм и уменьшается от зоны разрушения к периферии зоны термоциклирования лазерным воздействием. Это можно объяснить уменьшением в этом направлении амплитуды температурных циклов ΔT вследствие рассеивания тепловой энергии на периферии зоны термического влияния. Отчетливо видны цвета побежалости медно-цинкового сплава, фор- мирующиеся на поверхности нагретого материала в результате окисления поверхности кислородом воздуха. По цветам побежалости возможно оценить температуру нагрева металлического материала путем сравнения с контрольными образцами. В результате исследований тонкой структуры, в материалах образцов из медно-цинковых сплавов после термоциклирования лазерным воздействием, выявлены нанопористые структуры.

Исследования свойств полученных нанопо-ристых металлических материалов выполнены с использованием электронно-микроскопических и рентгеноструктурных методов анализа. Исследования медно-цинковых сплавов проводились с помощью металлографического оптического стереомикроскопа STEMI-2000 и растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan. Макроскопический анализ зоны термоциклирования от надэвтектических температур образцов из Л62 толщиной 50 мкм, полученных в результате импульсно-периодической лазерной обработки, показал наличие складкообразного рельефа, что свидетельствует об увеличении объема сплава на этом участке. В данном случае это объясняется увеличением пористости металлического материала. Морфология поверхности зоны термоциклирования от надэвтектических температур медно-цинкового сплава Л62 после импульсно-периодической лазерной обработки представлена на рис. 2.

При термоциклировании медно-цинкового сплава Л62 от надэвтектических температур наблюдается различное строение пор, размещающихся на границах и в объеме первичных дендритов. На первых стадиях термоциклирования нагревы выше эвтектической температуры проводят к сфероидизации прослоек эвтектики. В объеме дендритов формируются равноосные поры, которые располагаются в эвтектических сфероидах. В эвтектических прослойках на границах дендритов

Рис. 2. Морфология поверхности зоны термоциклирования от надэвтектических температур подобного формоизменения пор не происходит. На последующих стадиях термоциклирования поры внутри дендритов достигают размеров до 50…100 мкм, а пограничные поры становятся непрерывными. Увеличивается количество пор обоих типов, сообщающихся с внешней поверхностью образца. На рис. 3 представлено полученное с помощью растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan изображение сообщающихся с внешней поверхностью образца пор, сформировавшихся в эвтектических прослойках на границах дендритов при импульсно-периодической лазерной обработке с термоциклированием образца из сплава Л62 толщиной 50 мкм.

Рис. 3. Изображение сообщающихся с внешней поверхностью образца пор, сформировавшихся в сплаве Л62 в эвтектических прослойках на границах дендритов; увелич. х1020

При импульсно-периодической лазерной обработке с термоциклированием от надэвтектических температур в объеме образцов из медно-цинкового сплава Л62 толщиной 50 мкм также происходит формирование суб-микро- и нанопористой структуры, выходящей на внешнюю поверхностью образца. Структура данного слоя мелкодисперсная губчатая. Нанопоры имеют форму, близкую к равноосной. Субмикропоры образуются в результате объединения нанопор. На формирование выявленной структуры оказывает влияние образование продуктов взаимодействия меди и цинка, входящих в состав сплава, с воздушной средой при термоциклировании. Полученное с использованием аналитического растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan изображение такой структуры представлено на рис. 4.

Рис. 4. Пористая структура, формирующаяся на поверхности материала при термоциклировании лазерным излучением от надэвтектических температур; увелич. х10000

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ влияния фазовых превращений на формирование нанопористых структур при термоциклировании импульсно-периодическим лазерным воздействием. Фазовыми переходами, происходящими в твердых металлических материалах, являются полиморфные и изоморфные превращения, процессы растворения и выделения избыточных фаз, атомное упорядочение, а также более сложные превращения: эвтектоидные, перитектоидные, монотектоидные, сфероидизация и коалесценция фаз. Т.е. эти структурные изменения достаточно многообразны. При определении результатов влияния фазового превращения выделяют характер осуществляемого переходом атомов через межфазную поверхность изменения упаковки, а также диффузионные процессы, с которыми связано перераспределение компонентов между фазами. Изменение типа кристаллической решетки осуществляется перемещением границы путем поатомных переходов, что лежит в основе восхождения краевых компонент дислокаций и миграции высокоугловых границ при рекристаллизации. Возможно также перемещение границы сдвиговым механизмом, что реализуются скольжением дислокаций. В результате развития диффузионных процессов компоненты перераспределяются между фазами. Фазовые превращения при этом происходят избирательно и сопровождаются изменением состава. Если диффузионное перераспределение компонентов между фазами отсутствует, то составы исходной и образующейся фаз одинаковы.

Установлено, что при термоциклировании лазерным воздействием от надэвтектических температур, в объеме образцов из медно-цинкового сплава Л62 толщиной 50 мкм происходит формирование субмикро- и нанопористой структуры, выходящей на внешнюю поверхностью образца. Данный слой имеет губчатую мелкодисперсную структуру. Нанопоры имеют близкую к равноосной форму и объединяясь, образуют субмикропоры.

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