Определение возможности улучшения трибологических свойств керамики из карбида кремния импульсно-периодической лазерной обработкой

Методы лазерного микроструктурирования поверхности находят применение для улучшения трибологических свойств материалов [1–3]. Кроме синтеза низкоразмерной периодической структуры в результате инициированных фемтосекундным лазерным излучением процессов самоорганизации [4], применяют непосредственное формирование микрорельефа лазерным воздействием [5]. При этом обработку проводят излучением также с длительностью импульса в фемтосекундном диапазоне, осуществляя процесс абляции материала с переходом в плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав. Воздействие ультракороткими импульсами лазерного излучения является эффективным для микроструктурирования поверхности керамики из карбида кремния (SiC) [6] – одного из наиболее прогрессивных материалов для изготовления торцовых газодинамических уплотнений [7, 8]. По сравнению с другими применяемыми для этих целей карбидами, SiC имеет более высокую теплопроводность, что предоставляет возможность меньшей инерционности при нестационарных тепловых процессах. Применение карбида кремния в уплотнительных кольцах, обеспечивая меньший тепловой градиент, позволяет минимизировать деформации при переходных режимах [9]. Формирование периодически повторяющегося микрорельефа на кольцевых торцовых уплотнениях, который обеспечивает снижение потерь в паре трения «SiC-графит», осуществлено в работе [10]. Для повышения потенциала практического использования перспективным является расширение функциональных возможностей лазерного микроструктурирования путём использования более распространённых лазерных установок с длительностью импульса в миллисекундном диапазоне [11 – 16]. Применение оптических систем на основе элементов дифракционной компьютерной оптики [17–23] предос- тавляет возможность проводить обработку областей требуемой геометрии.

Целью работы является определение возможности улучшения трибологических свойств поверхности керамики из карбида кремния импульсно-периодической лазерной обработкой с длительностью импульса в миллисекундном диапазоне.

• 1.    Формирование микрорельефа на керамике из карбида кремния воздействием сканирующего непрерывного лазерного излучения

• 2.    Экспериментальное оборудование

• 3.    Результаты экспериментальных исследований и обсуждение

При производстве торцовых уплотнений из керамических материалов на основе карбида кремния для создания газодинамического давления применяют нанесение плоских и ступенчатых канавок, глубины которых сравнимы с минимальной величиной зазора. Формирование таких канавок проводят непрерывным лазерным излучением по программе, обеспечивающей их последовательную обработку. Управляющая программа также обеспечивает изменение мощности лазерного излучения по определённому закону с возможностью изменения интенсивности испарения обрабатываемого материала на различных участках зоны обработки. К недостаткам данного метода, кроме высокой стоимости обработки, относят значительный разброс глубин канавок и высокую шероховатость обработанной поверхности. При обработке материалов с высокой теплопроводностью, к которым относят SiC, имеют место наихудшие результаты по точности и воспроизводимости профиля канавок, наиболее выраженные на периферии пятна лазерного излучения. Кроме того, последовательное наложение зон лазерного воздействия на материал приводит к формированию микрорельефа поверхности в виде чередующихся выступов и канавок. Изображение поверхности керамики из карбида кремния, полученное с использованием по- ляризационно-оптического микроскопа Neophot-30, представлено на рис. 1. Формирование микрорельефа воздействием сканирующего непрерывного лазерного излучения значительно снижает возможность последующего улучшения их трибологических свойств. В этом случае лазерную обработку целесообразно осу- ществить в импульсно-периодическом режиме.

Рис. 1. Поверхность керамического материала, сформированная в результате воздействия сканирующего непрерывного лазерного излучения

Воздействие на образцы из керамического материала на основе карбида кремния осуществляли в импульсно-периодическом режиме на технологической лазерной установке ROFIN StarWeld Manual Performance, оснащённой Nd:YAG – лазером с длиной волны излучения 1,06 мкм. Основные технические характеристики установки: средняя мощность в импульсе – 50 Вт; максимальная энергия в импульсе – 100 Дж; длительность импульса – 0,5...50 мс; частота следования импульсов – 0,5...50 Гц; диаметр пятна – 0,3...2,0 мм. Технологическая лазерная установка предоставляет возможность генерации импульсов различных форм: прямоугольной, «пичковой» с прямоугольным участком, с плавно убывающим фронтом, с плавно возрастающим фронтом. Исследования трибологических свойств полученных структур проводили с использованием трибометра TRB-S-DE, CSM Instruments, представленного на рис. 2.

Температурно-скоростные условия лазерной обработки были реализованы при длительности 0,5 мс и частоте следования импульсов 2,5 Гц. Энергия в импульсе составляла 0,9...1,1 Дж. Использование «пичковой» с прямоугольным участком формы импульсов позволило уменьшить время воздействия. Исследование морфологии поверхности керамического материала на основе карбида кремния осуществлялось с использованием аналитического растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan. На рис. 3 представлена исходная зернистая структура керамики на основе карбида кремния, полученная в результате механической обработки после горячего изостатического прессования, которое обеспечивает формирование устойчивой высокодисперсной структуры с повышенной плотностью, высокими значениями твёрдости и прочности. При механической обработке в результате хрупкого разрушения происходит локальное выкрашивание частиц материала, образуются углубления неправильной формы размером 3...6 мкм с острыми краями.

Рис. 2. Внешний вид трибометра TRB-S-DE, CSM Instruments

Рис. 3. Исходная зернистая структура керамики на основе карбида кремния

Оценивались изменения морфологии обработанной поверхности после импульсно-периодического лазерного воздействия. Изображение поверхности керамического материала на основе карбида кремния, полученной в результате лазерной обработки с энергией в импульсе 1,1 Дж и длительностью импульса 0,5 мс, представлено на рис. 4. В результате металлографических исследований установлено, что импульсно-периодическая лазерная обработка с указанными параметрами режима приводит к сглаживанию углублений на полированной поверхности керамики из карбида кремния. Наряду с формированием непериодического микрорельефа, происходило модифицирование структуры по- верхностного слоя. При лазерном воздействии на поверхности керамического материала имело место разложение карбида кремния с образованием графита и твёрдого раствора углерода в кремнии.

Рис. 4. Поверхность керамического материала на основе карбида кремния, полученная импульсно-периодической лазерной обработкой с энергией в импульсе 1,1 Дж и длительностью импульса 0,5 мс

Более интенсивные режимы лазерной обработки приводят к образованию трещин на поверхности материала. При этом максимальный размер углублений увеличивается до 30 мкм. Морфология поверхности после импульсно-периодической лазерной обработки с энергией в импульсе 1,2 Дж представлена на рис. 5.

Рис. 5. Образование трещин на поверхности карбида кремния при интенсивных режимах

Коэффициент трения скольжения определяли за время 30 с при температуре окружающей среды 25°С и относительной влажности 63 % по схеме «шар– диск» при возвратно-поступательном движении, где использовали шар диаметром 6 мм из нитрида кремния (Si3N4). В результате экспериментальных исследований установлено, что для исходной поверхности керамического материала на основе карбида кремния после горячего изостатического прессования и механической обработки максимальное значение коэффициента трения составило 0,068, а после импульснопериодической лазерной обработки с энергией в импульсе 1,1 Дж и длительностью импульса 0,5 мс уменьшилось до 0,058. Среднее значение коэффициента трения поверхности снизилось с 0,057 до 0,049 после лазерной обработки, т.е. на 15 %. Таким образом, определена возможность улучшения трибологических свойств керамики из карбида кремния импульсно-периодической лазерной обработкой.

Заключение

Впервые осуществлено определение возможности улучшения трибологических свойств поверхности керамики из карбида кремния импульсно-периодической лазерной обработкой с длительностью импульса в миллисекундном диапазоне. Исследовалась исходная зернистая структура керамики, полученная в результате механической обработки после горячего изостатического прессования, которое обеспечивает формирование устойчивой высокодисперсной структуры с повышенной плотностью, высокими значениями твёрдости и прочности. Выявлено, что при механической обработке в результате хрупкого разрушения происходит локальное выкрашивание частиц материала, образуются углубления неправильной формы размером 3...6 мкм с острыми краями.

Оценивались изменения морфологии обработанной поверхности после импульсно-периодического лазерного воздействия. Установлено, что лазерная обработка с энергией в импульсе 1,1 Дж и длительностью импульса 0,5 мс приводит к сглаживанию углублений на полированной поверхности керамики из карбида кремния. Наряду с формированием непериодического микрорельефа, происходило модифицирование структуры поверхностного слоя. При лазерном воздействии на поверхности керамического материала имело место разложение карбида кремния с образованием графита и твёрдого раствора углерода в кремнии. Более интенсивные режимы лазерной обработки приводят к образованию трещин на поверхности материала. Исследования трибологических свойств полученных структур показали, что среднее значение коэффициента трения поверхности снизилось с 0,057 до 0,049 после лазерной обработки, т.е. на 15 %. Таким образом, определена возможность улучшения трибологических свойств керамики из карбида кремния импульсно-периодической лазерной обработкой, что позволит использовать данный метод при производстве торцовых газодинамических уплотнений. Целесообразно проведение дальнейших исследований триботехнических характеристик материала в зависимости от температуры, скорости скольжения и контактного давления.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.