RU2522919C1 - Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана - Google Patents
Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522919C1 RU2522919C1 RU2013101817/02A RU2013101817A RU2522919C1 RU 2522919 C1 RU2522919 C1 RU 2522919C1 RU 2013101817/02 A RU2013101817/02 A RU 2013101817/02A RU 2013101817 A RU2013101817 A RU 2013101817A RU 2522919 C1 RU2522919 C1 RU 2522919C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- titanium nitride
- pulse
- microstructured layer
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота. Обеспечиваются износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия на изделиях из титана и его сплавов, а также улучшаются антифрикционные свойства их поверхностей. 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам нанесения покрытий и может быть использовано для получения износостойких и коррозионно-стойких покрытий на изделиях из титана и его сплавов, а также улучшения антифрикционных свойств их поверхности.
Известен способ получения покрытия из нитрида титана на деталях, включающий обработку в азотной плазме при воздействии миллисекундного луча лазера и давлении 40-80 атм, что обеспечивает плотность азотной плазы 5·10 Вт/см2, при этом в зону ее воздействия помещают титановую подложку и обрабатываемую деталь, на которую подают постоянное положительное напряжение величиной 100-180 В (см. Авторское свидетельство СССР №1067859, МПК 7 С23С 8/36, опубл. 27.07.2005). Данный способ позволяет наносить слой нитрида титана на любые проводящие материалы, но для обработки изделий из титана и его сплавов он излишне сложен.
Известен способ формирования защитного покрытия поверхности пластин из титана и титановых сплавов, где слой нитрида титана формируется за счет нагрева малой области поверхности пластины излучением СО2 лазера с интенсивностью около 2·104 Вт/см2 в среде газообразного азота до температуры, не превышающей порог плавления материала (см. US 4434189, МПК 3 B05D 3/06, С23С 13/08, В05В 5/00, 1984). В рассматриваемом способе атомы азота диффундируют в нагретый материал из газовой фазы. Диффузионные процессы являются достаточно медленными. При реализации способа неизбежен глубокий прогрев обрабатываемого материала с последующим медленным остыванием. Это приводит к отпуску материала, что накладывает ограничения на обработку готовых изделий, так как возможно изменение их механических свойств. Кроме того, способ предполагает естественное формирование поверхности покрытия без ее принудительного структурирования.
Наиболее близок к заявляемому способ упрочнения азотированием поверхности подложки из титанового сплава, где слой нитрида титана формируется за счет нагрева малой области поверхности титана лазерным излучением до температуры плавления в среде газообразного азота, а в качестве источника излучения предлагается СО2, YAG или эксимерные лазеры (см. US 5290368, МПК 5 С22С 14/00, 1994). Способ предусматривает нагрев обрабатываемой поверхности до температур более высоких, чем в предыдущем, что увеличивает скорость диффузии азота в основной материал. Однако обеспечивается это за счет использования лазерного излучения с высокой средней энергией. В результате процесс формирования слоя нитрида остается достаточно медленным и сопровождается сильным прогревом основного материала. Кроме того, способ не предполагает микроструктурирования нитрида титана. Таким образом, рассмотренный способ, несмотря на близость к заявляемому, нельзя рассматривать как прототип.
Не обнаружено прототипа и среди способов получения непосредственно микроструктурированного нитрида титана, так как все они предполагают получение порошков, а не сплошных слоев на исходном материале.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение на поверхности титана или его сплава сплошного слоя TIN, на поверхности которого сформирована упорядоченная система микроструктур. Высокая твердость и устойчивость к агрессивным средам нитрида титана определяет увеличения износостойкости и коррозионной стойкости обработанной поверхности, а структурирование сформированного слоя улучшает ее антифрикционные свойства, так как уменьшает площадь контакта.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования микроструктурированного слоя нитрида титана воздействие на титановую подложку осуществляют фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.
На фиг.1 приведена схема воздействия лазерного излучения на поверхность титана. На фиг.2 приведено изображение фрагмента массива микроструктур на поверхности слоя нитрида титана. Изображение получено при помощи растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D.
Способ реализован согласно схеме, представленной на фиг.1. Титановая подложка 4 устанавливалась в кювете 5 с жидким азотом 3. Жидкий азот покрывал поверхность подложки слоем с толщиной 10 мм. Излучение 1 фемтосекундного лазера фокусировалось объективом 2 на поверхность подложки. Параметры воздействия: длина волны излучения 800 нм, длительность импульса излучения 50 фс, частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в импульсе 100 мкДж, радиус пятна фокусировки на поверхности подложки 100 мкм. Охлаждение жидким азотом обеспечивало ускоренную фиксацию результатов воздействия лазерного импульса, сопровождающегося плавлением материала, и устранение влияния приповерхностной плазмы.
Нелинейное взаимодействие мощного лазерного излучения с азотом приводит к филаментации пучка. В результате плавление титана происходило не интегрально по всей области лазерного воздействия, а в точках локальных максимумов пространственного распределения интенсивности излучения. Сформировавшиеся в этих точках кратеры равномерно заполняют область лазерного воздействия, образуя двумерную периодическую структуру с шагом около 3 мкм. В пределах отдельного кратера происходило плавление материала по традиционному для лазерного воздействия сценарию. Расславленный материал выносился из кратера на прилегающую к нему поверхность мишени, где впоследствии застывает, образуя валик. После окончания действия лазерного импульса под действием жидкого азота расплав быстро затвердевал, а поверхность мишени охлаждалась. В результате на поверхности мишени формировалась упорядоченная двумерная система микрократеров с диаметром 2 мкм, глубиной 300 нм и периодом 3 мкм (фиг.2). Каждый микрократер окружен кольцом шириной 300 нм и высотой 300 нм. Таким образом поверхность возможного контакта уменьшается в 9 раз.
В течение действия лазерного импульса происходила интенсивная диффузия азота в титан и формирование нитрида титана как в областях расплава, так между ними. В результате на поверхности мишени был образован сплошной структурированный слой нитрида титана. Короткая длительность импульса лазерного излучения и его малая энергия не позволяют прогреть обрабатываемый материал на значительную глубину. Таким образом исходные механические свойства основного материала под слоем нитрида титана остаются неизменными.
Claims (1)
- Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана на титановой подложке, характеризующийся тем, что на титановую подложку воздействуют фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013101817/02A RU2522919C1 (ru) | 2013-01-15 | 2013-01-15 | Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013101817/02A RU2522919C1 (ru) | 2013-01-15 | 2013-01-15 | Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2522919C1 true RU2522919C1 (ru) | 2014-07-20 |
Family
ID=51217537
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013101817/02A RU2522919C1 (ru) | 2013-01-15 | 2013-01-15 | Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522919C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10358710B2 (en) | 2016-07-29 | 2019-07-23 | Brenco Surface Engineering Pty Ltd. | Wear resistant coating |
RU2764777C1 (ru) * | 2021-01-26 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Способ обработки поверхности цветного металла путем формирования микрорельефа |
CN114131203A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-04 | 江苏大学 | 一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4434189A (en) * | 1982-03-15 | 1984-02-28 | The United States Of America As Represented By The Adminstrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for coating substrates using a laser |
US5290368A (en) * | 1992-02-28 | 1994-03-01 | Ingersoll-Rand Company | Process for producing crack-free nitride-hardened surface on titanium by laser beams |
RU2247070C1 (ru) * | 2003-10-06 | 2005-02-27 | Открытое акционерное общество "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина" | Способ получения нитрида титана |
US6902656B2 (en) * | 2002-05-24 | 2005-06-07 | Dalsa Semiconductor Inc. | Fabrication of microstructures with vacuum-sealed cavity |
US20100021695A1 (en) * | 2006-12-27 | 2010-01-28 | Susumu Naoyuki | Engraved plate and substrate with conductor layer pattern using the same |
RU2407822C2 (ru) * | 2004-07-09 | 2010-12-27 | Сименс АГ | Способ получения износостойких и обладающих высокой усталостной прочностью поверхностных слоев на деталях из титановых сплавов и деталь, изготовленная этим способом |
-
2013
- 2013-01-15 RU RU2013101817/02A patent/RU2522919C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4434189A (en) * | 1982-03-15 | 1984-02-28 | The United States Of America As Represented By The Adminstrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for coating substrates using a laser |
US5290368A (en) * | 1992-02-28 | 1994-03-01 | Ingersoll-Rand Company | Process for producing crack-free nitride-hardened surface on titanium by laser beams |
US6902656B2 (en) * | 2002-05-24 | 2005-06-07 | Dalsa Semiconductor Inc. | Fabrication of microstructures with vacuum-sealed cavity |
RU2247070C1 (ru) * | 2003-10-06 | 2005-02-27 | Открытое акционерное общество "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина" | Способ получения нитрида титана |
RU2407822C2 (ru) * | 2004-07-09 | 2010-12-27 | Сименс АГ | Способ получения износостойких и обладающих высокой усталостной прочностью поверхностных слоев на деталях из титановых сплавов и деталь, изготовленная этим способом |
US20100021695A1 (en) * | 2006-12-27 | 2010-01-28 | Susumu Naoyuki | Engraved plate and substrate with conductor layer pattern using the same |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10358710B2 (en) | 2016-07-29 | 2019-07-23 | Brenco Surface Engineering Pty Ltd. | Wear resistant coating |
RU2764777C1 (ru) * | 2021-01-26 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Способ обработки поверхности цветного металла путем формирования микрорельефа |
CN114131203A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-04 | 江苏大学 | 一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Dumitru et al. | Laser treatment of tribological DLC films | |
Ahuir-Torres et al. | Influence of laser parameters in surface texturing of Ti6Al4V and AA2024-T3 alloys | |
Zhou et al. | Experimental study on laser microstructures using long pulse | |
JP6887411B2 (ja) | 金属成形体の粗面化方法 | |
Klimentov et al. | The role of plasma in ablation of materials by ultrashort laser pulses | |
JP5767345B2 (ja) | 鋼帯の金属被覆を増強する方法 | |
KR101744869B1 (ko) | 물질을 고-에너지 방사선으로 가공하는 방법 | |
Sciti et al. | Laser-induced surface drilling of silicon carbide | |
RU2522919C1 (ru) | Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана | |
TWI737802B (zh) | 金屬成形體的粗面化方法 | |
Lasagni et al. | Direct fabrication of periodic structures on surfaces: laser interference patterning as new scalable industrial tool | |
RU2544892C1 (ru) | Способ получения микро- и наноструктур на поверхности материалов | |
Li et al. | Surface smoothing of bulk metallic glasses by femtosecond laser double-pulse irradiation | |
JP2016016432A (ja) | 表面改質方法及び表面改質金属部材 | |
US9994948B2 (en) | Method for producing oxide layers which protect against wear and/or corrosion | |
Lisiecki | Comparison of Titanium Metal Matrix Composite surface layers produced during laser gas nitriding of Ti6Al4V alloy by different types of lasers | |
Talbi et al. | Laser-induced periodic surface structures formation on mesoporous silicon from nanoparticles produced by picosecond and femtosecond laser shots | |
Ezhilmaran et al. | Pulsed Nd 3+: YAG Laser Assisted Micro-dimple Formation in Chromium Films under Different Ambient Conditions. | |
RU2597447C2 (ru) | Лазерный способ получения функциональных покрытий | |
RU2752821C1 (ru) | Способ получения наноструктурированной поверхности металлической заготовки лазерной обработкой | |
Alwafi et al. | Alloying aluminum with Fe using laser induced plasma technique | |
Schille et al. | High-rate laser processing of metals using high-average power ultrashort pulse lasers | |
Elgazzar et al. | Laser Surface Texturing of 304 Stainless Steel. | |
RU2537429C2 (ru) | Способ лазерного упрочнения плоской заготовки | |
RU2366553C2 (ru) | Способ наплавки поверхности лучом лазера |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160116 |