SU1055784A1 - Способ обработки материалов - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нанесение пленки диффузанта на их поверхность и облучение лазером, работающим в режиме . модулированной добротности, отличающийс  тем, что, о целью повышени  коррозионной стойкости, износостойкости, твердости материа- ла, пленку диффузанта нанос т ввиде последовательных слоев различных элементов или их сплавов толщиной 10 -10 А и облучение ведут импульсами лазерного излучени  с , плотностью мощности в диапазоне Вт/см. -

Description

Sff

ю

СП ел

00

4

IIII,

2ffff yf Wff , ffOO Изобретение относитс  к способам обработки материалов лазерным пучко и может быть использовано в техноло гии металлов и полупроводниковой электронике при производстве матери лов с повышенной коррозионно- и изн состойкостью. Известен способ обработки матери лов, включающий нанесение пленки диф фузанта наих поверхность и облучение лазером, работающим в режиме модули рованной добротности. В основе известного способа лежит процесс дифф зии примеси из нанесенной пленки- в услови х термического равновеси  под действием лазера. Длительность импульса лазера составл ет 0,5 - 3 мс l . Указанный способ примен етс  щэе имущественно дл  легировани  полупроводников и обладает р дом недостатков: ограничен круг внедр емых элементов, который определ етс  растворимостью примеси в Материале; невозможно проведение одновременного сложного легировани  несколькими элементами, резко отличающимис  растворимостью в легируемом.материа ле с заданной концентрацией компо . нент примеси Способ принципиаль-- но не позвол ет создавать метастабильные поверхностные сплавы из-за малой скорости ввода энергии в образец . Дл  получени  сильно легированных поверхностных сплавов требуютс  значительные затраты времени , которые определ ютс  скорост ми диффузии примеси в материале. :Невозможно в одном технологическом процессе совместить процессы легиро вани  примесью g заданной концентра цией и изменени  структуры поверхностного сло , что часто  вл етс  о редел ющим фактором в изменении .. поверхностных свойств материалов. Наиболее близким к предлагаемому по техническому решению  вл етс  сп соб обработки материалов, включающи нанесение плёнки диффузанта на их п . верхность и облучени  лазером.Толщина пленки составл ет 100-1000 мкм облучение ведут СО лазером в течени нескольких миллисекунд при плотност . мощности излучени  10 Вт/см 2j . Известный способ обработки позвол  ет только при совместимости материалов Пленки и подложки улучшать коррозионную стойкость и не позвол ет улучшать износостойкость. Учет совместимости материалов пленки и подложки  вл етс  серьезным недостатком известного сйособаГ Кроме того , обработка материалом известным способом на воздухе приводит к сильному окислению поверхности, что отрицательно вли ет на коррозионную стойкость и износостойкость. УслоВИЯ облучени  по известному способу такие, что плавитс  только пленка, а подложка не плавитс , что в свою очередь не обеспечивает глубокое проникн-овение примеси из пленки в подложку, - ; Целью изобретени   вл етс - повышение коррозионной стойкости, износостойкости , твердости материала . Поставленна  цель достигаетс  тем, что по известному способу обработки материалов,.включающему нанесение пленки диффузанта на их поверхность и облучение лазером, работающим в режиме модулированной добротности, пленку диффузанта наг нос т в вид1е последовательных слоев различных злементрв или их сплавов толщиной 10 -10 А и облучение ведут импульсами лазерного излучени  с плотностью мощности в диапазоне 108-10 Вт/см. При плотност х мощности излучени , меньших 10 Вт/см не происходит сильного разогрева материала (дл  р да материалов температура не достигает температуры плавлени ), вследствие чего процесс легировани  идет неэффективно, толщина легированного сло  мала, получаемыекон- ; центрации примеси незначительны,, что не приводит к улучшению Kojppoзионно- и износостойкости материала. При плотност х мощности больших, чем ЮМ Вт/см, наоборот, в начальной стадии взаимодействи  излучени  с материалом происходит быстрый разогрев материала и его испарение. Затем больша  часть падающей энергии поглощаетс  образующимс  паром и . идет его ионизаци . Значительный вынос массы, экранирование основы образующейс  плазмой и, как следств вие, недостаточный нагрев : материала преп тствует.эффективному процессу легировани  и приводит к значительной потере диффузантаi Выбор толщины пленки диффузанта в диапазоне А определ етс  требованием получени  однородного по поверхности, достаточно глубокого поверхностного сплава, обладающего хорошим сцеплением с матрицей исходного материала. При толщинах пленки меньших , чем 10 А на поверхности материала после облучени  лазерным импульсои не образуетс , сплошного защитного сло , а получаетс  очень тонкий поверхностный сплав, характеризун цийс  значительной неоднородностью распределени  внедр емых элементов по поверхности. Такой тонкий и неоднородный по поверхности сплав существенно не вли ет на поверхностные свойства исходного материала. Нанесени13 пленок дифФузанта тол щиной большей, чем 10 А приводит к тому., что облучение импульсами лазера, работающего в режиме модулированной добротности, не приво дит к сильному разогреву и плавлению исходного материала. Вследстви этого не происходит заметной диффу зии легирующего материала из пленки в матрицу исходного материала. Сплав материалов не образуетс , а поверхностна  пленка обладает плохими зёицитными свойствами. Предлагаемый способ позвол ет -проводить одновременное сложное ле рование осноил несколькими злемент ми. В данном случае примесна  плен формируетс  в виде сэндвича, из раз личных материалов.. Варьиру  и зада ва  толщины слоеб в пленке дл  раз личных элементов, с. учетом их физи ко-химических параметров, можно, использу  соответствукйцие плотности мощности лазерного излучени ,по лучать -поверхностнее сплавы с опре деленным, заданным составом примес Тем самым можно добиватьс  програм мируемого изменени  физических и химических свойств материалов, повышать Их коррозионную стойкость твердость, износостойкость. Пленку диффузанта можно формировать в виде гомогенного сплава. Измен   относительную концентрацию примесей в гомогенной , можно после облучени  получать пойерх ностные сплавы заданной концентрац Предлагаемый способ позвол ет одновременно с легированием основы измен ть структуру поверхностно сплава. Подбором соответствующей композиции примесей и выбором определенной плотности мощности излучени  можно аморфизиррвать по1верхностнцй слой исходного материала . Например, облуча  лазером примесную пленку- на железе, формируе: мую в виде сэндвича из последовательных слоев хрома, бора фосфора, где бор и фосфор играют роль аморфизирующих добавок, а хром - легирующий элемент, удаетс  получить поверхностный аморфный сплав желе- .за с хромом. I . Пример 1. Дл  повышени  коррозионной стойкости и твердости стали марки Х25 на полированную поверхность исходного образца на- пьш ют слой никел . Образец имеет размеры 1x1 см и толщину 1 мм. Напыление провод т в вакууме 510 г/алрт. ст. Образец с пленкой диффузанта облучают на воздухе излучением неодимового лазера (3 al,06 мкм), работающего в режиме модулированной добротности. Плотность мощности излучени  составдйет 5-10 Вт/см. Толщину пленки напыленного никел  дл  разных образцов берут.равной 100,200,300,400, 600,1000 А. Коррозионную стойкость облученных образцов исследуют потенциостатическим методом на потенциостате П-5827 MB 1 н. растворе серной кислоты при 25®С. Микротвердость измер ют на микротвердомере ПМТ-3 при на грузке 50 г. На фиг. 1 показана зависимость тока пассивации образцов стали Х25 ( if,) от толщины (d) пленки никел  после лазерного облучени . Из фиг. 1 видно,что дл  тех образцов , на которые напыл ют пленки никел  больше 200 А после облучени  лазерным .излучением с потоком мощнот:т ти, равным 5 10 Вт/см ток пассивации уменьшаетс  более, чем в 9 раз. Уменьшение тока пассивации свидетельствует о значительном увеличении коррозионной стойкости стали Х25 в растворе серной кислоты после обработки . - Результаты измерени  микротвердости образцов стали Х25 до и после обработки представлены в табл. 1. Из табл.. 1 видно, что использование предлагаемого способа позвол ет увелич.ить микротвердость стали Х25 в несколько раз. П р и м е р 2 . На полированные образцы стали Х25, имеющие размеры 1x1 см и толщину 1 мм, напыл ют мо-: либден. Напыление производ т в вакууме рт. ст. Толщина напылен ного сло  составл ет 1500 Д. Облучение прсэвод т в вакууме 5. «10 мм рт. ст. лазером на неодимовом. стекле (Л ,06 мкм), работающим в ре-, жиме гигантского импульса. Плотность мощности падающего излучени  составл ет в первом случае 5. ; 10 Бт/см, во второй - 5-10вт/см| в третьем - 5-10™Вт/см. Обработан- ные образцы исследуют на коррозионную стойкость потенциостатическим методом в 1 н. растворе серной кислоты на потенциостате П-5827М. На фиг. 2 показана зависимость тока пассивации обр 1ботанных образцов от плотности кющности лазерного излу .чени . / ,Из фиг. 2 видно, что при напылении il500 А молибдена на сталь Х25 . и облучении лазерным излучением с плотностью мощности 5-10ВтУсм ток пассивации уменьшаетс  более, чем на пор док, что свидетельствует о значительном увеличении коррозионной стойкости об{эаботанных образцов по сравнению с необработанными. , Микротвердость измер ют на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50. г. Результаты измерени  микротвердости до и после обработки представлены в табл. 2. Представленные в табл. 2 резуль таты, свидетельствуют о значительном увеличений микротвердости стали Х25 после обработки лазерным рэ лучением в сочетании с поверхностным легированием молибденом. Пример 3. На полированную поверхность железа армко напыл ют в вакууме 5, рт. ст. пленку в виде сэндвича. Сначала напыл ют слой-фосфора толщиной 300 А затем слой никел  толщиной 900 А. Облуче ние ведут на воздухе рубиновым лаз ром, работающим в режиме модулированной добротности с плотностью мощности 10 Вт/см,Образец имеет, размеры 1x1 см и толщину 1 мм. . Измерейие микротвердости провод т на приборе ПМТ-3 с нагрузкой .50 г. Коррозионную СТОЙКОСТЬ оце- нивают по току полной пассивации на анодной потенциостатической пол ризациойной кривой, которую снимают на потенциостате П-5827М в растворе 600 г/л гидроокиси натри  Результат измерени  микротвердости и тока полной пассивации дл  об разца до и после обработки предста лены в табЛе 3. .. Из табл 3 видно, что обработка исход но го об{5аЗца по предлагаемому способу более чем на пор док уменьшает ток полной пассивации,что сёи детельствует о .значительном увеличении коррозионной стойкости образ ца и в несколько раз увеличивает микротвердость образца П р и м е р ,4, На полированную поверхность железа армко напыл ю вакууме 5-lO мм рт. ст. тленку в виде сэндвича. Сначала .напыл ют сл фосфора толщиной 300 А, затем сло углерода толщиной 150 А, а затек слой никел  ТОЛЩИНОЙ 1300 Д, Облуч ние ведут в вакууме 10 мм рт. ст, нердимовым лазером, работающим в режиме модулированной добротности с плотностью мощности в импульсе Вт/см. Образец имеет размеры ;1х1 см и ТОЛЩИНУ 1 мм. Измерение микротвердости провод  на микротвердомере с нагрузкой 50 г. Коррозионную стойкость исследуют потенциостатическим ме-. годом на потенциостате П-5827М в растворе 600 г/л гидроокиси Результаты измерени  микротвердосхи и значени  токов полной пассивации дл  образца до и после обработки представлены в табл. 4, Представленные в та0л.4 результаты пока&ывают, чтолегирование железа .никелем в сочетании с аморфи зирующими добавками - фосфором и углеродом- с .использованием лазернЬ го излучени  приводит.к увеличению, коррозионной стойкости (оцениваемой по току полной пассивации) более, чем на два пор дка и к значительно-; му увеличению микротвердости. ; Пример 5. На полированную поверхность образцов стали 30X13, имеющих размергл 1x1 см и толщину 1 мм, напыл ют в вакууме 5,«10 мм рт- ст. гомогенную пленку карбида вольфрама толщиной llOOAi Облучают, на воздухе лазером на неодимовом стекле/ работающем в режиме модулированной J oбpoтнocти. Плотность мощ ности в импульсе излучени  составл 5-10 Вт/см. кротйердость измер ют на микротвердомере ПМТ-3 с нагрузкой 50 г, КоррОЗИОННуЮ стойкость исследуют ПО сенциостатическим методом в 30%-ном растворе азотнокислого на;три  при на потенциостате П-5827М. В . табл.5 приведены результаты измерени  микротвердости и значени  тока полной пассивации на анодной потенциостатической пол ризационной криг вой дл  образца до и после обработки Из табл, 5 следует, что обработка стали 30X13 предлагаемым спосо- : бом позвол ет существенно повысить микротвердость поверхностного сло  и увеличить его коррозионную стойкость . Пример б. На полированную поверхность образца меди (99,9%.) напыл ют пленку циркони , Напыление; ведут в вакууме 10 мм рт. ст. Размеры Образца 1x1 смТ толщинй 1 мм. олщина пленки 400 А, Образ.ец с напыленной пленкой облучают импульсом неодимового лазера с Плотностью мощности 10 вт/см, Облучение ведут на воздухе. 1Микрот5ердость измер ют на микротвердомере ПМТ-3 с нагрузкой 50 г.После легировани  цирконием поверхностногосло  с использованием лазерного излучени  микротвер. дость увеличиваетс  до Па.. П р и м е J) 7, На полирован1шй образец железа армко в вакууме напылЯ. ют гомогенную пленку толщиной 10 X со следующей концентрацией компо нентов: 70 % ат, хлора и 30 % ат. никел . На другой образец железа армко напыл ют пленку такой же тол- ; щины 10- А, но с содержанием компонен Tos:60 атф% з :рома и 40 ат,% никел , Образцы облучают на воздух.е импуль- сом неодимового лазера с плотностью ощности в импульсе 10 Вт/см. Коррозионную стойкость образцов исследуют потенциостатическим метоом в 20%-ном растворе серной кисло .ты. Микротвердость измер ют на микротвёрдомере ПМТ-3 с нагрузкой 50 г : Результаты измерени  токов полно пассивации и микротвердости показывают , что после лазерного облучени  пленки состава 70 ат.% хрома и 30 ат,% никел  ток .полной.пассивации .уменьшаетс  на три.пор дка вег личины по сравнению с исходным обрээцом , .микротвердость увеличиваетс  в. раза. Дл  пленки состава 60 ат.% хрома и 40 ат.% никел  ток полной пассивации уменьшаетс  на два пор дка величины по сравнению d исходным, микротвердость увеличиваетс  в 2,5 раза. Из этого примера видно, что измен   концентрацию в гомогенной пле ке можно дифференцированно вли ть на свойства поверхностного сло . В табл,, б представлены данные по вли нию плотности мощности лаТолщина сло  Af tfjS ПCTlVISill П 400 600 1000 MMMrM«WMW««MMM l -M M k« « W«««.« /, , -.«i-„..-,,.« Плотность мощности лазерного излучени , Вт/см л , 5-10 5, WMt «ХМ « MB MB 7 . Микротвердость, х 10 До обработки I После об

490

118

0,02

0,5 ....l.. .-..-. в, e...--...-..-и-.- -. ... -- - ipvi- i -« « н.н до обработки I После обработки .-«.««-«. .М« «- р. . . Микротвердость, х ------- -----.- До обработки I После обработки ««« «). «(«. . Па Ток полной пассивации,мА/см работки До обработки I После обработки зерного излучени  и TOJrmtnHtJ пленк.и диффузанта на коррозионную стойкость ,, микротвердость, износостойкость и структуру покрыти . Представленные результа-пл указывают на то, что предлагаетвлй способ обработки материалов в сравнении с известным позвол ет более эффективно и программированно возде.йствовать на поверхностные слои ы атериаЛ;ов и измен ть их свойства: повышать коррозионную стойкость,износостойкость и микротвердость.Облучение материалов лазерными импульсами можно проводить на воздухе. Предлагаемрай способ позвол ет создавать сильно легированные слои,поэтому его рассматривать как способ альтернативный объемному легированию , что сулит значительную ;экономию дорогосто щих, дефицитных материалов. Таблица, Мнкротвердость, х 10 Па 210420 210560 210710 . Таблица 2 I , . 210660 210780 2101020 Таблица 3 2

Таблица 4

vo

Л) Ef

iS

к ю (d f

п,

9Ю9 „ yfffy

S tPt/e. f

Claims (1)

1. 754) СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нанесение пленки диффузанта на их поверхность и облучение лазером, работающим в режиме . модулированной добротности, отличающийся тем, что, с целью повышения коррозионной стойкости, износостойкости, твердости материа-. ла, пленку даффуэанта наносят в· виде последовательных слоев различных элементов или их сплавов τόπι щиной 10® —10⁴ А и облучение ведут импульсами лазерного излучения с плотностью мощности в диапазоне 10^й Вт/см². -