Воздействие лазерного излучения для создания нанопористых структур металлических материалов

Нанопористые материалы находят применение при фильтрации газов и жидкостей в медицине, атомной энергетике, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности [1-4]. Наиболее широкое распространение получили мембраны из нанопористых материалов на основе полимеров, стекла, керамики и графита. По сравнению с перечисленными материалами металлические обладают улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами: механической прочностью, термостойкостью, имеют длительный срок службы, очищаются обратным током жидкости и прокаливанием. В настоящей работе мы реализовали режимы лазерного воздействия, предоставляющие возможность формирования нанопористых структур в сплаве системы Cu-Zn.

СОЗДАНИЕ НАНОПОРИСТЫХ СТРУКТУР МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Проведены экспериментальные исследования по выявлению особенностей формирования структур сплава системы Сu–Zn при воздействии на его поверхность высокоинтенсивных энергетических потоков. В качестве модельного сплава системы Сu–Zn выбран двухкомпонентный сплав латунь Л62, содержащий 60,5…63,5 %

Cu, особенностью которого является значительная концентрация компонента, имеющего более высокую упругость пара (Zn). Важным преимуществом использования данного сплава в качестве модельного при проведении экспериментальных исследований является то, что снижение концентрации цинка в поверхностном слое можно наблюдать визуально, т.к. латунь меняет свой цвет с исходного желтого на красный.

Энергетическое воздействие осуществлялась газовым CO ₂ -лазера ROFIN DC 010, с выходной мощностью от 100 до 1000 Вт, диаметр выходного пучка 20 мм. Исходное излучение было преобразовано с помощью дифракционных оптических элементов (ДОЭ), имеющих форму рабочей поверхностью в виде гиперболического параболоида. Такие оптические элементы выполняют необходимую фокусировку лазерного излучения [5-9 и др.]. Контроль температуры в зоне нагрева осуществлялся с помощью бесконтактного пирометра «Кельвин-1300 ЛЦМ», имеющего диапазон измерения температур 600…1600 K.

Осуществлены режимы лазерного воздействия, предоставляющие возможность формирования нанопористых структур в сплаве системы Cu-Zn [10-14]. Лазерное воздействие импульсно-периодическим излучением с частотой следования импульсов до (4…5) . 10 ³ Гц при достижении определенной температуры, не превышающей температуру плавления, позволяет формировать устойчивое напряженное состояние на поверхности образцов. Предполагается, что основным механизмом образования нанопо-ристой структуры является сублимация компонента сплава с более высокой упругостью паров (Zn). В материале создается градиент концентраций, и в дальнейшем данный компонент суб-

а

б

Рис. 1. Результаты анализа элементного состава поверхности: до лазерного воздействия (а); после лазерного воздействия (б)

Таблица 1. Соотношение компонентов сплава до и после лазерного воздействия в пересчете на компактный материал

Комп оне нт до лазерного воздействия (Вес.%) после ла зерного воздей ствия (Вес.%) Cu 62,9 91,9 Zn 36,8 7,6 Остальное 0,3 0,5 лимирует в той мере, в какой обеспечивается его диффузионная доставка к поверхности.

С течением времени толщина обедненного цинком слоя увеличивается, и диффузия становится лимитирующим фактором процесса сублимации. Установлено, что лазерная обработка создает в приповерхностном слое нанопористую структуру со средним размером пор ~40…50 нм. Нанопоры равномерно распределены по поверхности субзерен, имеют относительно стабильные размеры и формы. Такая структура формируется за счет образования вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материала, развития градиента концентрации и диффузии к поверхности компонента с относительно высокой упругостью паров.

Соотношение компонентов сплава в пересчете на компактный материал представлено на рис. 1 и в таб. 1. Металлографические исследования микроструктуры образцов показали, что концентрация пор изменяется с увеличением расстояния от поверхности вглубь образца (рис. 2). Концентрация пор уменьшается с увеличением этого расстояния. Схема исследования нанопористой структуры образца приведена на рис. 3. На рис. 4 представлено изображение характерной нанопоры канальча-того типа шириной ~100 нм.

Данная запатентованная технология [15, 16] перспективна для производства катализаторов и ультрафильтрационных мембран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реализованы режимы лазерного воздействия, предоставляющие возможность формиро-

Рис. 2. Распределение пор по глубине образца вать нанопористые структуры в металлических материалах, при этом нагрев материала осуществляется до температур ниже температуры плавления. Определены условия формирования лазерным воздействием с частотой следования импульсов до (4…5).103 Гц нанопористых структур со средним размером нанопор ~40…50 нм

Рис. 3. Схема исследования нанопористой структуры образца

View field: 4.818 pm    Det:

SEM MAG: 44.98 kx   Name:

Performance in nanospace Ei

Рис. 4. Изображение характерной нанопоры канального типа шириной ~ 100 нм; увелич. х44980

в модельном металлическом материале с содержанием меди до 62%. После лазерного воздействия на поверхности образца формируется структура с порами, достаточно равномерно распределенными по площади. Такая структура формируется за счет образования вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материала, создания градиента концентраций и диффузии материала с относительно высокой упругостью пара к поверхности.

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