Лазерная поверхностная модификация оксидной керамики ZrO 2:Co/Ni и Al 2O 3:Co

Повышенный интерес к композиционным материалам керамика/металл обусловлен тем, что, с одной стороны, композиционные материалы керамика/металл обладают характерными свойствами металлов, например, такими, как хорошая теплопроводность и электропроводность, высокая пластичность, а с другой стороны, они имеют высокую твердость, свойственную керамическим оксидным материалам [1]. Процесс лазерного спекания керамики отличается от традиционных процессов спекания в печах своей кратковременностью и наличием больших градиентов температур в тонком поверхностном слое образца, что зачастую при неправильно подобранных режимах спекания приводит к короблению, растрескиванию и эрозии поверхности образцов. Оксид алюминия является одним из наиболее перспективных керамических материалов для широкого спектра конструкционных применений благодаря сочетанию высокой твердости, термостойкости, химической инертности и доступности. В монографиях [2,3] достаточно широко представлены исследования, связанные с изучением термостойкости теплозащитных покрытий на основе ZrO 2 и путей ее повышения за счет подбора оптимального состава теплозащитных покрытий и жаропрочного подслоя и способов их получения. Другой путь повышения термостойкости теплозащитных покрытий на основе ZrO 2 состоит в изменении свойств поверхности за счет кратковременных концентрированных тепловых действий на поверхность жаропрочных покрытий. Как отмечалось в [4,5], при термоциклировании внешняя атмосфера, благодаря пористой структуре верхнего керамического покрытия, проникает к поверхности металлического подслоя Ni–Cr–Al–Co–Ta–Y и вызывает его окисление. В результате на границе металл-керамика формируется слой Al 2 O 3 , изменяющий напряженное состояние покрытия, что приводит к нарушению контакта и отслоению керамики. Для снижения скорости окисления подслоя поверхность теплозащитного покрытия из ZrO 2 оплавляют либо лазерным излучением, либо плазмой [6,7]. Воздействие концентрированных тепловых потоков на поверхность жаропрочных покрытий приводит к появлению волнообразного рельефа, являющегося результатом образования и наложения волн расплавленного материала [6,7]. На поверхности образцов появляются трещины, обусловленные возникновением термических напряжений, ширина которых не превышает 2мкм, а глубина – 10мкм. В большинстве случаев глубина трещин меньше толщины трансформированного слоя, т.е. наблюдается частичная герметизация защищаемой поверхности. Образовавшиеся фрагменты в поперечнике не превышают 50 мкм.

Цель данной работы состоит в снижении температуры спекания оксидной керамики и градиента температуры в местах воздействия лазерного излучения за счет введения стабилизирующих добавок. Для керамики Al 2 O 3 и ZrO 2 в качестве стабилизирующих добавок используют Ni, Co и некоторые другие элементы, которые при малых концентрациях (менее 1 мол.%), не образуя твердый раствор, снижают температуру спекания и пористость, а также за счет увеличения теплопроводности уменьшают градиент температуры, что предотвращает поверхностное растрескивание керамики при локальном лазерном воздействии.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В данной работе в качестве стабилизирующей добавки был использован Co и Ni. Равномерное введение стабилизирующей добавки по всему объему керамического образца обеспечивалось за счет предварительного химического осаждения металлической пленки кобальта и никеля на поверхность частиц порошка Al 2 O 3 и ZrO 2 . Технология химического осаждения позволяет получать на поверхности керамических частиц металлические пленки равномерной толщины, начиная с долей микрона, и таким образом реализуется возможность равномерного распределения стабилизирующих добавок по всему объему керамического образца.

Керамические порошки Al 2 O 3 и ZrO 2 предварительно подвергались компактированию с помощью гидравлического пресса типа ПГ-1, который обеспечивал давление 200 кг/см². Порошковые компакты в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 3 мм получали методом статического прессования при давлении 2 МПа с использованием в качестве связующего 10%-го водного раствора ПВС. Размер используемых частиц порошка составлял 40 мкм. Толщина пленки кобальта/никеля, нанесенного путем химического осаждения на керамические частицы, по оценкам не превышала 2 мкм.

Изучалась возможность как твердофазного, так и жидкофазного спекания образцов при постоянной плотности мощности лазерного излучения.

В качестве источника лазерного излучения использовался непрерывный Nd⁺³:YAG лазер типа ЛТН-103 ( λ = 1.06 мкм). Ось луча перемещалась перпендикулярно поверхности подложки компакта с постоянной скоростью v . С помощью линзы на поверхности образцов формировался лазерный пучок с различной плотностью мощности q . Контроль мощности излучения осуществлялся с помощью измерителя мощности ИМО-2Н. Длительность облучения τ в разных экспериментах варьировалась изменением скорости перемещения лазерного луча v .

На рисунке 1 представлена фотография поверхности компактного образца, изготовленного из порошка ZrO 2 плакированного Co, после воздействия лазерного излучения плотностью мощности q = 3.0 кВт/см² при скорости перемещения образца v =1 см/с. Видно, что такой режим лазерного спекания (жидкофазный механизм спекания) протекает с качественным оплавлением поверхности образца, т.е. отсутствуют следы эрозии и трещины как в зоне лазерного воздействия, так и на границе лазерного луча. Микротвердость оплавленной поверхности образца была не менее 13.5 ГПа. Глубина проплавления составляла 20-30 мкм. Следует отметить, что нам не удалось осуществить лазерное твердофазное спекание образцов.

Рисунок 1 – Поверхность компактного образца, изготовленного из порошка ZrO 2 плакированного Co, после воздействия лазерного излучения: λ = 1.06 мкм, плотность мощности излучения q =3.0 кВт/см², скорость перемещения образца v = 1 см/с

На рисунке 2 представлена фотография поверхности компактного образца, изготовленного из порошка ZrO2 плакированного Ni, после воздействия лазерного излучения плотностью мощности q = 3.0 кВт/см2 при скорости перемещения образца v = 1 см/с. Видно, что и для этого случая лазерное спекание (жидкофазный механизм спекания) протекает с качественным оплавлением поверхности образца без следов эрозии и образования трещин как в зоне лазерного воздействия, так и на границе лазерного луча. Микротвердость оплавленной поверхности образца была не менее 12 ГПа. Глубина проплавления составляла 20-30 мкм.

Рисунок 2 – Поверхность компактного образца, изготовленного из порошка ZrO 2 плакированного Ni, после воздействия лазерного излучения: λ = 1.06 мкм, плотность мощности излучения q = 3.0 кВт/см², скорость перемещения образца v = 1 см/с

Аналогичный результат был получен для керамики из оксида алюминия, частицы которого были плакированы кобальтом. На рисунке 3 представлена фотография поверхности компактного образца, изготовленного из порошка Al 2 O 3 плакированного Co, после воздействия лазерного излучения плотностью мощности q =2.8 кВт/см² при скорости перемещения образца v = 1 см/с. На фотографии видно, что отсутствуют следы эрозии и трещины как в зоне лазерного воздействия, так и на границе лазерного луча. Микротвердость оплавленной поверхности образца была не менее 13 ГПа. Глубина проплавления составляла 20-30 мкм.

Рисунок 3 – Поверхность компактного образца, изготовленного из порошка Al 2 O 3 плакированного Co, после воздействия лазерного излучения: λ = 1.06 мкм, плотность мощности излучения q = 2.8 кВт/см², скорость перемещения образца v =

1 см/с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Равномерное введение стабилизирующих добавок Co, Ni в керамические порошки Al 2 O 3 и ZrO 2 путем химического осаждения Co, Ni на частицах порошка позволяет осуществить локальное лазерное жидкофазное поверхностное спекание предварительно спрессованных порошковых компактов Al 2 O 3 /Co, ZrO 2 /Co и ZrO 2 /Ni, что в дальнейшем может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик изделий из оксидной керамики, в частности для повышения долговечности теплозащитных покрытий.

Работа выполнена при поддержке БРФФИ (грант Т08М-002).