Термоциклирование импульсно-периодическим лазерным воздействием для формирования нанопористой структуры в металлическом материале

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 нанопористых металлических материалов, к которым относят электрохимическое селективное выщелачивание, анодное травление, 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.

Прогрессивным направлением создания на поверхности металлических материалов нанопористых слоёв является применение лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов. Так, в работах [8– 13] определены условия формирования лазерным воздействием нанопористых структур в металлическом материале – двухкомпонентном сплаве системы Cu-Zn латунь Л62. Установлено, что в результате лазерного воздействия в поверхностном слое материала происходит образование нанопор, как одиночных, так и образующих разветвлённые каналы, достаточно равномерно распределённых по площади. Такая структура формируется за счёт образования вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материа- ла, создания градиента концентраций и диффузии к поверхности данного компонента с относительно высокой упругостью паров. Условием для интенсификации массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов является нестационарная локальная деформация, вызываемая высокоэнергетическим внешним воздействием [14– 17]. При этом лазерное воздействие импульсно-периодическим излучением с частотой следования импульсов до 5000 Гц позволяет формировать устойчивое напряжённое состояние на поверхности образцов. Для целенаправленного изменения распределения плотности мощности воздействующего лазерного излучения используются элементы дифракционной компьютерной оптики – фокусаторы излучения [18–22].

В работах [23, 24] предложен метод формирования нанопористых структур металлических материалов циклическим упруго-пластическим деформированием, реализуемый при лазерном воздействии с частотой импульсно-периодического излучения от единиц Гц. В этом случае причиной формирования наноразмерных полостей в сплавах является образование и коагуляция вакансий под действием внутренних напряжений, возникающих вследствие зонального высокоэнергетического воздействия, сопровождающегося значительным разогревом металла. Целью данной работы является экспериментальное определение режимов импульсно-периодического лазерного воздействия с термоциклированием для формирования нанопористой структуры в металлическом материале.

1. Исследуемый материали экспериментальная установка

В качестве исследуемого материала выбран двухкомпонентный сплав системы Cu-Zn латунь Л62, содержащий 60,5…63,5 % меди. Данная латунь является однофазной, отличается высокой пластич- ностью, достаточной прочностью и коррозионной стойкостью, пригодна для изготовления сварных и паяных изделий. Предварительно шлифованные образцы размерами 25×15 мм2 из латуни толщиной 0,05 мм размещались на подложке из металлического материала.

Воздействие на образцы из сплава системы Cu-Zn осуществляли с использованием газового CO 2 -лазе-ра ROFIN DC 010 с диффузионным охлаждением и высокочастотной накачкой. Выходная мощность лазера в импульсно-периодическом режиме генерации выбиралась в диапазоне 50…300 Вт при частоте следования импульсов 3…5 Гц, диаметр исходного пучка с гауссовским распределением интенсивности составлял 20 мм. Требуемые температурно-скоростные режимы лазерной обработки для реализации необходимого воздействия на ограниченный по площади и глубине объём материала с целью формирования нанопористых структур определялись при изменении мощности излучения, частоты следования импульсов и размеров светового пятна на поверхности образцов. Преобразование лазерного излучения в световое пятно с равномерным распределением плотности мощности осуществлялось с помощью оптической системы, содержащей элемент дифракционной компьютерной оптики – фокусатор излучения [18–22]. Фокусатор излучения, выполненный в виде отражающей пластины с микрорельефной структурой поверхности, осуществлял поворот и вращение пучка лазерного излучения, его пространственную фазовую модуляцию и перераспределение энергии по зоне обработки заданной формы. Применение таких оптических систем позволяет расширить класс операций, реализуемых лазерной обработкой, а также повысить коэффициент использования энергии лазерного излучения за счёт расширения возможности гибкого управления геометрическими характеристиками пучков лазерного излучения при обеспечении требуемого распределения плотности мощности. Уменьшение числа элементов оптической системы доставки лазерного излучения к обрабатываемому объекту приводит к повышению её надежности, при этом обеспечивается также условие максимального использования энергии излучения.

дования импульсов 5 Гц гофрообразный рельеф, представленный на рис. 1, имеет форму эллипса. Образование складок является признаком увеличения объёма локального участка двухкомпонентной латуни в зоне наибольших перепадов температур.

Рис. 1. Поверхность образца из сплава системы Cu-Zn толщиной 0,05 мм после лазерного воздействия с термоциклированием

Влияние температурных градиентов поясняется следующим. При лазерном воздействии локальный участок на поверхности образца нагревается, в то время как остальной материал остаётся холодным. Это приводит к возникновению растягивающих напряжений в центре зоны термического влияния и сжимающих напряжений на её периферии. Поскольку при нагреве материала снижается величина его предела текучести, в центре зоны термического влияния происходит пластическая деформация. По мере выравнивания температуры с течением времени в материале возникают напряжения противоположного знака: сжимающие в центре зоны термического влияния и растягивающие на её периферии. Неравномерный нагрев и изменение объёма материала вследствие температурного расширения приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. Пластические деформации в материале после его полного охлаждения являются причиной накопления остаточных напряжений. Если величина внутренних напряжений превышает предел текучести, то образуются локальные деформации. При превышении предела прочности зарождаются не-сплошности. В зоне термического влияния происходит чередование участков с преобладанием растягивающих и сжимающих напряжений, что приводит к образованию наноразмерных полостей. Энергия, подводимая к образцу, быстро отводится в прилегающие области за счёт теплопроводности. Импульсно-периодическое лазерное воздействие обеспечивает локальность по глубине и площади физи- ческих процессов, протекающих в зоне термического влияния, при сохранении исходных свойств материала и отсутствии значительных деформаций в остальном объёме.

Исследования тонкой структуры материала проводились с использованием растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan. Установлено, что термоциклирование приводит к существенным качественным изменениям в структуре материала. На первой стадии при нагреве частично устраняются дефекты, присутствующие в металлическом сплаве в исходном состоянии. Затем под влиянием термических напряжений происходит образование новых дефектов структуры – дислокаций и их скоплений, избыточных вакансий. В результате разупрочнение, имеющее место на первой стадии, сменяется упрочнением. В результате проведённых исследований структуры сплава Л62 на шлифах с плоскостью, расположенной перпендикулярно к обработанной поверхности, методом растровой электронной микроскопии установлено следующее. При импульснопериодическом лазерном воздействии с термоциклированием медно-цинкового сплава в поверхностном слое материала формируются субмикрополости клинообразной формы, которые сужаются у своих краёв с образованием протяжённых наноразмерных каналов шириной не более 100 нм. Тонкая структура медно-цинкового сплава после термоциклирования представлена на рис. 2.

Рис. 2. Тонкая структура медно-цинкового сплава после термоциклирования, выявленная с использованием аналитического растрового электронного микроскопа VEGA\\ SB, Tescan

Таким образом, воздействие лазерного импульсно-периодического излучения с частотой следования импульсов 3…5 Гц на сплав системы Cu-Zn – однофазную латунь толщиной 0,05 мм приводит к формированию наноразмерных полостей вследствие накопления внутренних напряжений при цикличе- ском нагреве и охлаждении с высокими скоростями. Данная запатентованная технология [25] перспективна для производства катализаторов и ультрафильтрационных мембран.

Заключение

Экспериментально определены режимы импульсно-периодического лазерного воздействия с термоциклированием для формирования в двухкомпонентном сплаве системы Cu-Zn латуни Л62 нано-пористой структуры, состоящей из наноразмерных пор преимущественно канального типа. При этом неравномерный нагрев и изменение объёма материала вследствие температурного расширения приводят к накоплению остаточных напряжений. В зоне термического влияния происходит чередование участков с преобладанием растягивающих и сжимающих напряжений, что приводит к образованию на-норазмерных полостей. Преобразование лазерного излучения в световое пятно с равномерным распределением плотности мощности осуществлялось с помощью оптической системы, содержащей элемент дифракционной компьютерной оптики – фокусатор излучения. При реализации выбранных режимов лазерного импульсно-периодического воздействия с термоциклированием обеспечивается локальность по глубине и площади физических процессов, протекающих в зоне термического влияния, при сохранении исходных свойств материала и отсутствии значительных деформаций в остальном объёме.

При исследовании тонкой структуры материала с использованием растрового электронного микроскопа установлено, что термоциклирование приводит к существенным качественным изменениям в структуре материала. Определено, что при лазерном импульсно-периодическом воздействии под влиянием термических напряжений в двухкомпонентной латуни происходит увеличение количества дефектов структуры – вакансий, дислокаций и их скоплений. В материале толщиной 0,05 мм формируются субмикрополости клинообразной формы, которые сужаются у своих краёв с образованием протяжённых наноразмерных каналов шириной не более 100 нм.

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