Экспериментальное исследование процесса структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности

лей машин [3–5] открывают широкие перспективы для развития уникальных промышленных лазерных микро и нанотехнологий.

В этой связи становится актуальным изучение не только физических механизмов взаимодействия ультракороткого оптического излучения с поверхностью металлов и сплавов, но и поиск, определение и получение оптимальных режимов (интенсивности и длительности лазерных импульсов, частоты следования, параметров сканирования лазерного пучка) для контролируемого микро- и наноструктурирования поверхностей объёмных материалов и модифицирование с использованием лазерных импульсов с различными параметрами исходных механических свойств и качества поверхности облучаемого материала.

Целью данной работы является определение оптимальных режимов лазерной обработки инструментальной стали 9ХС с помощью фемтосекундных импульсов высокой мощности для получения упорядоченной микроструктуры. Выбор объекта исследования и реализации технологии инструментальной стали 9ХС сделан по причине ее широкого распространения и применения для создания инструментов и деталей машин широкого назначения.

Схема эксперимента представлена на рис. 1. В качестве экспериментальных образцов использовались цилиндры высотой 15 мм и диаметром 20 мм, торцы которых располагались перпендикулярно падающему лазерному излучению. Облучаемая поверхность (торец цилиндра) предварительно подвергалась механической полировке с использованием шлиф порошка (30мкм) и пасты ГОИ. На подготовленную поверхность направлялся пучок от источника лазерного излучения, в качестве которого использовался иттербиевый (Yb) волоконный лазер с рабочей длиной волны λ =1064 нм, частотой следования

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для облучения образцов

импульсов ν =1 МГц, длительностью импульсов τ =300 фс и средней мощностью до 2 Вт. Лазерное излучение (диаметр пучка 2мм, расходимость пучка 2 мрад) с линейной поляризацией фокусировалось при помощи кварцевой линзы с фокусным расстоянием f =100мм, расположенной на расстоянии 130 мм от излучателя. Цилиндры закреплялись на двухкоординатном столике, который использовался для фокусировки пучка на торце образцов и для получения необходимого сдвига в пределах фокусного расстояния для получения серии отпечатков с разными параметрами облучения.

Облучение образцов проводилось при различных мощностях P и количестве воздействующих импульсов (длительности обработки t), что позволило определить наиболее оптимальные параметры обработки металла для создания развитой периодической структуры.

В первой серии экспериментов исследовалось влияние мощности излучения при фиксированном времени обработки t =5 с, что соответствует воздействию примерно N =5 ^. 10⁶ импульсов. Было установлено, что уже при мощности излучения P =1.15 Вт на поверхности стали начинают формироваться островки структурирования, которые при P =1.27 Вт охватывают всю облучаемую площадь. При этом четко прослеживается периодическая структура с постоянной ориентацией перпендикулярно вектору поляризации излучения (рис. 2). На вставках рисунков представлены отдельные участки зоны облучения, из которых вид-

Рис. 2. Снимки области лазерного облучения образцов стали 9XC при различных мощностях излучения:

a – 1.15, b – 1.27, с – 1.53, d –1.9 Вт

но, что на фоне неизмененной поверхности стали возникают периодические дорожки модифицированного металла. При проведении исследований профиля модифицированной поверхности при помощи атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver P47-PRO полуконтактным методом установлено, что данные области возвышаются над основной поверхностью образца в среднем на 150 нм. На рис. 3 приведены АСМ-снимки данных участков. Наличие участков обрабатываемого материала, возвышающихся над поверхностью основного материала позволяют говорить о сложных процессов абляции и анизотропной конденсации материала протекающих во время обработки. Период наблюдаемой структуры составляет величину порядка 850 нм, что меньше длины волны используемого излучения λ =1064 нм, и практически не зависит от мощности излучения. Однако, с её увеличением в центральной области пятна на поверхности металла происходит постепенное разрушение структурированной поверхности и образование иной развитой структуры (рис. 2d).

Вторая серия экспериментов была посвящена исследованию процесса модификации структуры поверхности металла при различном числе воздействующих импульсов. На рис. 4 представлена динамика разрушения структуры с увеличением длительности воздействия. Снимки получены с помощью сканирующего электронного микроскопа PHENOM PRO-X. Так, при воздействии на образец в течение времени t=5 с со средней мощностью P=1.9 Вт (рис. 2d) видна сформированная периодическая структура – параллельные дорожки модифицированного металла, направленные перпендикулярно плоскости поляризации излучения, а также зарождающаяся в центре облучаемой области разупорядочная структура. В результате воздействия излучения длительностью t=10 с и мощностью P=1.9 Вт сформированные ранее дорожки «распухают» (рис. 4a), на них появляются поперечные трещины, затем они дробятся на отдельные возвышенности, а периодичность нарушается. После облучения длительностью t=60 с прослеживаются отдельные островки разрушенных дорожек и проявляется последующая модификация структуры поверхности металла, сопровождаемая образованием термоиндуцированных трещин (рис. 4b). Увеличение длительности воздействия до 300 с приводит к формированию еще более развитой структуры и росту трещин на поверхности (рис. 4c и 4d). Образование данных особенностей сопровождается непрерывным вертикальным ростом облученного участка за счет ма-

Рис. 3. Изображение облученной поверхности, полученное методами АСМ

а

с

b

d

Рис. 4. Модификация структуры поверхности образцов стали 9XC со временем лазерного облучения t: a –10c, b–60c, с, d–300c

териала близлежащих областей, особенности топологии данной структуры, восстановленные при помощи сканирующего электронного микроскопа PHENOM PRO-X представлены на рисунке 5. Трехмерное изображение восстановленное с помощью инструментария электронного микроскопа подтверждает, что в результате обработки «вырастает» новая структура. Профиль структуры, представленный на вкладке, позволяет заключить, что структура образуется в кратере и вырастает над поверхностью исходного материала. Также необходимо отметить, что высота всей структуры с увеличением времени обработки возрастает. Так, если периодическая структура полученная при обработке в течение t =5 c имела высоту порядка 150 нм (рис. 3), то увеличение времени обработки до 2 минут привело к увеличению её высоты 6.5 мкм (рис. 5), сопровождающейся нарушением периодичности и зарождением трещин.

Полученные результаты качественно согла- суется с результатами работ [6, 7], в которых наблюдается формирование периодической структуры на поверхности различных веществ, облучённых лазерными импульсами фемтосекундной длительности. Так, в работе [6] отмечается, что на поверхности облучаемого образца формируется периодическая структура, период которой меньше длины волны падающего излучения. По мнению авторов работы [6] данный эффект связан со взаимодействием подающего импульса с возникающей под действием этого импульса поверхности поверхностной плазмонной волной. Параметры образующейся структуры при этом зависят как от параметров падающего импульса (энергия, длительность), так и от свойств вещества (показатель преломления). Определение данных зависимостей для различных веществ является предметом дальнейших исследований.

Таким образом, на основании полученных экспериментальных результатов можно сделать

Рис. 5. Изображение топологии облученной области.

следующие выводы: лазерное облучение металлических образцов, может приводить к формированию трех типов (периодических, непериодических и высокопористых) поверхностных структур, в зависимости от числа воздействующих импульсов и мощности излучения. Для формирования периодической структуры оптимальным является облучение образца импульсами со средней мощностью P =1.4 Вт в течение 5–10 с. Полное разрушение сформированных дорожек происходит после облучения длительностью от 60 до 200 с, при этом, на поверхности образуется равномерно распределенная структура, представленная образованиями, возвышающимися над основной поверхностью металла. Дальнейшее увеличение длительности воздействия лазерного излучения приводит к кардинальной перестройке поверхности с образованием высокопористой структуры, сопровождающейся зарождением и ростом термоактивированных микротрещин. Анализ физико-механических свойств образующихся структур представляет особый интерес и является задачей наших дальнейших исследований.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.