CC BY
495
ЛАЗЕРНОЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В.П. Вейко, С.С. Дышловенко
1. Введение
Инициатор и энтузиаст масштабных исследований влияния шероховатости поверхности на эксплуатационные свойства детали профессор Ю.Г. Шнейдер так оценивал роль шероховатости: "Все тела живой и неживой природы ограничены поверхностями, которые никогда не бывают абсолютно гладкими. Они всегда в той или иной степени шероховаты. От степени шероховатости многое зависит в жизни деталей, машин. Ведь шероховатости первыми вступают в борьбу с трением, смятием, принимают на себя удар волны жидкости, пара или газа. Шероховатости во многом определяют и физические свойства поверхности: оптические, акустические, электрические, магнитные, термические и др. Практически нет ни одного эксплуатационного свойства деталей машин, которое в той или иной мере не зависело бы от шероховатости поверхности" [1]. Например, для снижения трения, износа, повышения плавности хода и бесшумности необходимо обеспечить достаточную маслоемкость и площадь контакта поверхностей, их несущие способности (способности воспринимать нагрузки). Все эти свойства поверхности определяются топологическими параметрами шероховатости. В свою очередь, топологические параметры обусловлены методами структурирования поверхности.
Существует три основных группы методов структурирования поверхности:
• механические методы, включающие в себя финишную обработку резанием и пластическое деформирование поверхностного слоя детали давлением;
• химические методы, основанные на обработке поверхности травлением;
• термические методы - структурирование микрорельефа поверхности термическим воздействием.
В процессе резания, когда обработка производится резцом или абразивным зерном шлифовального круга, из массы материала вырываются частицы различной величины и формы; на поверхности остаются "борозды", канавки разной глубины и формы, которые и образуют микрорельеф шероховатой поверхности. С переходом от грубой к получистовой, а затем к финишной обработке глубина вырывания частиц уменьшается. Однако даже при самом тонком резании выступы и впадины весьма сильно различаются между собой и по форме, и по размерам. Проявляется также негативное влияние этих способов обработки на трение и износостойкость из-за формирования острых боковых кромок, которые во всех случаях необходимо притуплять.
Химическое структурирование осуществляется травлением обрабатываемого материала через маски-трафареты. Оно отличается высокой производительностью, поскольку все углубления (лунки) обрабатываются, как правило, одновременно. Достоинствами химических методов является также возможность обработки материалов любой твердости и деталей любой формы. Недостатком химических методов является то, что уже на стадии определения оптимальных по форме, размерам, числу на единицу площади и взаимному расположению углублений необходимо располагать значительным количеством дорогостоящих трафаретов.
Значительным шагом в технологии микроструктурирования поверхности стало изобретение Ю.Г. Шнейдером метода вибронакатывания, основанного на тонком управляемом пластическом деформировании поверхностных слоев металла при сложном относительном перемещении обрабатываемой поверхности и деформирующего элемента. При этом способе обработки поверхность обкатывают колеблющимся шаром, а заготовка движется поступательно в направлении подачи.
В течение более чем 20-ти лет вибрационное обкатывание считалось одним из самых эффективных способов структурирования поверхности. Однако этот способ также обладает рядом существенных недостатков: он не позволяет обрабатывать поверхности хрупких, непластичных материалов, пленок, кристаллов; существенные ограничения он имеет и по форме доступных обработке поверхности.
Эпоха научно-технической революции, характеризующаяся непрерывным ужесточением условий эксплуатации машин, приборов и аппаратов, требует создания новых методов структурирования поверхностей.
В предлагаемой работе проведем анализ возможности лазерного микроструктурирования поверхностей.
В области лазерных технологий за последние годы сделан громадный шаг вперед. Созданы лазеры с излучением, лежащим в глубоком УФ-диапазоне, и длительностью импульсов вплоть до ультракоротких фемтосекундных, применение которых позволяет создавать четкие микроструктуры любого размера и формы в различных материалах. Изменяя энергию лазерного импульса и время воздействия, можно реализовать широкий диапазон режимов воздействия от локального нагревания до строго дозированного удаления материала. Исследования в области воздействия лазерного излучения на материалы подготовили теоретическую и практическую базу для создания метода лазерного микроструктурирования поверхностей.
2. Лазерное микроструктурирование поверхности
В методе лазерного микроструктурирования поверхности (ЛМП) можно выделить четыре основных способа лазерного микроструктурирования:
• ЛМП, основанное на локальном испарении вещества;
• ЛМП, основанное на возникновении поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ);
• лазерное управление шероховатостью;
• лазерное выглаживание в расплавленном (вязко-текучем) состоянии.
2.1. Лазерное микроструктурирование, основанное на испарении вещества.
Микроструктурирование поверхностей, основанное на процессе испарения вещества под воздействием лазерного излучения, отличается универсальностью, управляемостью, производительностью, простотой обработки. Этот метод позволяет структурировать поверхность любых материалов (в том числе непластичных) и любой формы.
Для этой цели могут быть использованы лазеры, создающие при фокусировке излучения плотность мощности достаточную для испарения материала [2]:
2кТиу[П ,_л8 Вт
а40Т
Здесь Ти - температура испарения материала, К - теплопроводность, а -температуропроводность, т - длительность воздействия, А - поглощательная способность материала. При характерном пространственном размере микроструктуры г0 порядка 100 мкм это потребует лазеров с мощностью Р > q ■ £ = 103 ^ 104Вт (£ -площадь светового пятна, £ « пг02).
Заметим сразу, что непрерывные лазеры, по-видимому, не оптимальны для микроструктурирования, так как создают большую и плохо управляемую зону термического влияния (плавления, окисления, рекристаллизации и т.д.) размерами
гпр ~ л/от ■ Длительность воздействия т в этом случае определяется скоростью
сканирования пучка (или перемещения детали) Уск. Для металлов (а~0.1см2/с) т« г0 / Уск «10-2 с. Следовательно, при Кск~1см/с, что не мало для прецизионных
q =-« 107 108—- (1)
координатных столов, которые должны обеспечивать точностные параметры
-2
микроструктуры, гпр ~ 3 • 10 см, что принципиально ограничивает возможный
диапазон достижимых параметров микроструктурирования.
Кроме того, непрерывные лазеры не оптимальны и с точки зрения энергетических затрат. Соотношение мощностей импульсного и непрерывного лазера, необходимое для достижения одной и той же температуры, определяется выражением [2]
Римп /Рн = /т Г0Л/0Т (/- частота следования импульсов).
При /= 103 Гц, т = 10-3 с и г0 = 10-2 см для металлов Ртп / Рн ~ 1. Но это
соотношение быстро падает с уменьшением т , и для коротких импульсов (или больших скоростей сканирования Уск непрерывных пучков) энергетические затраты импульсных лазеров значительно ниже. Отсюда видно, что ситуация с импульсными лазерами намного благоприятнее.
Толщина испаренного слоя к при импульсном воздействии с заданной плотностью мощности q зависит от длительности воздействия т. Ее легко оценить, считая, что вся подведенная к материалу мощность идет на испарение вещества:
к = Уи т = т,
^и
где Уи - скорость испарения вещества (скорость движения границы раздела твердое тело - газ), Ьи - удельная теплота испарения вещества (Дж/см3).
Типичные значения толщины испаренного слоя в железе при различных длительностях импульса лазеров для д=108Вт/см2 приведены в табл.1.
Таблица 1. Зависимость толщины испаренного слоя железа от длительности импульса
Длительность импульса т 10-6 с 10-9 с 10-12 с
Толщина испаренного слоя к 0,02 мм 0,02 мкм 0,02 нм
Из табл. 1 видна превосходная управляемость высотными параметрами микрорельефа при методе ЛМП.
При использовании импульсных лазеров нет также видимых ограничений степени структурирования вплоть до разумных в машино- и приборостроении предельных размеров, определяемых длиной волны света (~1мкм).
Однако создание сложных микроструктур может потребовать весьма большого времени. Это вторая важная характеристика ЛМП. Таким образом, круг приемлемых лазеров придется ограничить не только их необходимой импульсной мощностью, но и достаточно большой частотой следования импульсов.
Следующим ограничением, причем не столько размерным (не всегда нужны структуры с предельным разрешением порядка 1 мкм), сколько энергетическим, может быть длина волны излучения. Например, металлы сильно отражают свет на длине волны 10,6 мкм. Так что при расчете требуемой мощности по формуле (1) А следует принять меньше 0.1, что увеличит требуемую мощность в 10 раз и более.
Теперь мы можем привести таблицу лазеров, наиболее подходящих для ЛМП (табл. 2).
Для ЛМП могут быть использованы как сфокусированное лазерное излучение (это будет что-то вроде аналога механического сверления для микроструктурирования), так и спроецированное через маску-трафарет (проекционный метод) [2], что внешне напоминает химическое травление. Конечно, в любом случае речь идет о лазерном испарении. Подробнее на роли фокусировки излучения мы остановимся при рассмотрении метода лазерного управления шероховатостями.
Таблица 2. Лазеры, наиболее подходящие для ЛМП
Тип лазера Основные параметры Примечание: рекомендуемый материал для ЛПМ
X, мкм т, с /, Гц Средняя мощность, Вт
УАО:Ш с непрерывной накачкой и акустооптической модуляцией добротности 1,06 0,53 ~10-7 104 20 Металлы
Эксимерные 0,157 0,193 0,218 0.308 ~10-8 102 100 Неметаллы, пластмасса
Импульсный СО2 10,6 ~10-6 103 200 Стекла, пластмасса, металлы
Пары меди (Си) 0,51 0,57 ~10-8 104 20 Металлы
Инструментом лазерного микроструктурирования является пучок лазера, который, в отличие от механического инструмента, не подвержен износу и деформации и позволяет осуществлять более точный контроль геометрии поверхности, а в отличие от химических методов - позволяет легко контролировать размеры и форму элементов структуры и всего поля обработки. Фотографии поверхностей, структурированных с использованием лазерного излучения, приведены на рис.1.
а б
Рис. 1: Фотографии поверхности поликарбоната (а) и оптического кристалла Св!(б), структурированных излучением КгР-лазера с использованием
проекционного метода [3]
2.2. Способ лазерного микроструктурирования, основанный на возбуждении поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).
Последние исследования в области взаимодействия лазерного излучения с материалами позволяют создать новый способ лазерного микроструктурирования, основанный на возникновении поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). Падающее лазерное излучение преобразуется в ПЭВ, например, на периодических решетках, в той или иной мере представленных в пространственном спектре случайных шероховатостей реальной поверхности. В оптическом диапазоне длин волн ПЭВ появляются на поверхности металлов (и некоторых полупроводников). При наклонном падении пучка возбуждаемая на резонансной решетке ПЭВ интерферирует с падающей
волной, в результате чего формируется новое распределение интенсивности света по поверхности, промодулированное в пространстве параметром резонансной решетки. При достаточной интенсивности излучения такое промодулированное поле вызывает пространственно-неоднородные нагрев, плавление, испарение и другие сопутствующие нагреванию процессы [2] и приводит, в конце концов, к возникновению поверхностных периодических структур (1111С) [4].
По-видимому, существует множество механизмов формирования ППС. Физическими процессами образования ППС могут быть испарение, расплавление вещества, термическая деформация и др. При этом играют роль и другие физические явления, такие как вытеснение расплава давлением отдачи паров, неравномерное по поверхности; термокапиллярные процессы; термохимические реакции, генерация поверхностных дефектов в виде дислокации и т.д. Так или иначе, индуцированная ППС формируется на поверхности после ее остывания в виде той или иной микроструктуры (рис. 2).
Рис. 2. ППС на поверхности монокристалла вольфрама (УЛО:^ лазер, ^=0,562 мкм, р-поляризация, т=5нс, плотность энергии и=2.6Дж/см2, f=20 Гц) [5]
Как ясно из физики образования ПЭВ, ППС образуются только при наклонном падении исходного поляризованного пучка на поверхность, причем период структуры в данном случае зависит от угла падения лазерного излучения на поверхность 9 и от типа поляризации лазерного излучения. Так, для р-поляризованного света период структуры определяется по формуле ё±(р) = АДШт 9).
Формирование ППС на различных материалах наблюдалось при облучении поверхности лазерами ИК-, видимого и УФ- диапазонов как в импульсном режиме, так и при непрерывном воздействии излучения.
Энергетические режимы формирования ППС обычно относятся к плотности светового потока ^0= 0,1-100 МВт/см2 (в зависимости от длительности импульса) и
соответствуют нагреву материала до температуры, примерно равной температуре плавления, но не превышающей температуры порога развитого испарения [4].
Феномену формирования периодических структур на поверхности материала посвящено большое количество работ. Однако взаимосвязь между топологическими параметрами формируемых на поверхности материала регулярных микроструктур и характеристиками лазерного излучения является достаточно сложной и не до конца изученной. Кроме того, структура образующегося на поверхности рельефа зависит от свойств и состояния самого облучаемого материала; характер этой взаимосвязи также до сих пор недостаточно изучен. Все это не позволяет пока использовать данный метод в промышленности, однако уже существующие работы и эксперименты позволяют с полной уверенностью сказать, что этот способ является одним из перспективных методов структурирования поверхности, например, создания дифракционных оптических решеток, катодов, эмиссионных приборов (рис. 2) и т.п.
2.3. Лазерное управление шероховатостью.
Необходимо выделить еще один метод лазерного микроструктурирования - будем называть его лазерным управлением шероховатостью - в основе которого лежит контроль высоты и глубины шероховатостей поверхности за счет фокусирования лазерного излучения над обрабатываемой поверхностью или под ней, т.е. обработка поверхности идет или в расходящемся или в сходящемся пучке, соответственно [6].
В случае обработки поверхности расходящимся пучком (рис. 3, а) плотность мощности на уровне к соответствует нагреву материала до температуры порога испарения, в то время как на уровне средней линии плотность мощность ниже порога испарения. В результате интенсивность разрушения материала на выступах профиля поверхности будет больше, чем во впадинах. Происходит уменьшение высоты неровностей профиля поверхности.
а б
Рис. 3. Лазерное управление шероховатостью: а) обработка поверхности расходящимся пучком, б) обработка поверхности сходящимся пучком
Обратная ситуация наблюдается в случае обработки поверхности сходящимся пучком излучения (рис. 3, б). Здесь на выступах профиля поверхности плотность мощности меньше, нежели чем на впадинах - в результате происходит увеличение высоты неровностей профиля поверхности.
Высоты результирующих шероховатостей в этом случае зависят только от числовой апертуры оптической системы ЫЛ = Э /2/ (П - диаметр пучка, / - фокусное расстояние), расстояния между фокусирующей оптикой и поверхностью и точностью его поддержания, а также, естественно, от вида материала и мощности падающего излучения:
К = (/ -1) -
ЫЛ
2 V
р Чп
Данный способ структурирования позволяет через контроль параметров системы лазерной обработки управлять высотой шероховатостей поверхности, однако не определяет распределение выступов и впадин. Таким образом, он больше всего соответствует задаче лазерной полировки поверхности. Особенно хорошо этот метод работает в случае лазерной полировки материалов, которые сублимируют - испаряются из твердой фазы, минуя расплав, например, алмазоподобные покрытия (рис. 4) [7].
а б
Рис. 4. Алмазоподобные покрытия до (слева) и после (справа) лазерной полировки излучением лазеров Дг-Р (а) и на парах меди (б) (изображено в сканирующем электронном микроскопе) [7]
2.4. Лазерное выглаживание в расплавленном (вязко-текучем) состоянии.
Этот метод основан на нагревании металла до температуры, при которой процессы, ответственные за качество поверхности, протекают в расплавленном (размягченном) состоянии. Лучше всего он разработан для стекла, так как в металлах в процессе остывания идет активная кристаллизация вещества, что препятствует формированию предельно-гладких поверхностей. В этом последнем случае необходимо специально обеспечивать высокие скорости охлаждения - это естественно реализуется при нагревании тонких металлических пленок сверхкороткими импульсами излучения. Тогда в пределах зоны облучения формируются металлические "стекла" со свойственной им гладкостью поверхности. Создание протяженных поверхностей металлических стекол является проблемой.
Рис. 5. Фотография асферической цилиндрической линзы (3 мм х 10 мм), профилированной и отполированной излучением СО2 - лазера
Иное дело в стеклах. Здесь идея лазерного выглаживания аналогична, например, огневой полировке стекла - нагревание поверхности до температуры, при которой уменьшение вязкости стекла дает возможность силам поверхностного натяжения
реализовать их природную тенденцию минимизации поверхностной энергии и, соответственно, площади поверхности [8].
Проблемами здесь являются возникновение гидродинамической волны в расплаве и термомеханических напряжений в материале при остывании. Эти проблемы исследуются на кафедре лазерных технологий ИТМО и решаются оптимальным выбором размеров пучка, скорости сканирования и т.д. Для мини- и микрооптики соответствующие вопросы рассматриваются, например, в работе [8]. Фотография одного из оптических элементов, асферизованного и отполированного в едином процессе при использовании лазерного излучения, приведена на рис. 5.
На основе проведенного сравнительного анализа способов лазерного микроструктурирования рассмотрим подробнее проблему модификации структуры поверхностей трения с использованием лазера путем испарения.
3. Лазерное микроструктурирование поверхностей трения: эксперимент и триботест
Впадины микрорельефа, образованные неровностями поверхности - ее шероховатостями - выполняют роль масляных карманов, которые удерживают смазывающие вещества и даже при жестком контакте обеспечивают подачу смазки в зону трения. Маслоемкость этих карманов прямо зависит от высоты шероховатости. Чем больше шероховатость, тем больше масла они могут удерживать. В то же время наблюдается обратная зависимость для несущей способности: при большой высоте пиков несущая способность незначительна, ведь с сопрягаемой поверхностью контактирует лишь небольшое число имеющихся выступов. Возникают большие удельные давления, поверхности сильно изнашиваются. У поверхностей с большим числом малых по высоте неровностей, наоборот, несущая способность велика, но масляные карманы малы, значит, недостаточно смазки, и в результате снова вознрикает ускоренный износ [1].
Несущая способность поверхности и маслоемкость ее карманов, удерживающих смазку, находятся в сильной зависимости и от формы неровностей. Контакт поверхности с неровностями заостренной формы с другой поверхностью будет происходить лишь по малым площадям, в результате чего удельные давления и, соответственно, смятие или износ неровностей будут велики (особенно в первый период работы сопряженных деталей - при приработке). На участках неоднородной по шероховатости поверхности с выступающими заостренными неровностями (с малыми радиусами вершин выступов) возникают мгновенные и огромные по величине контактные давления, что сопровождается выделением большого количества теплоты и приводит к образованию первоначальной микрозоны схватывания, лавинно распространяющейся по поверхности трения.
Поверхность с такими же по высоте, но плоскими неровностями будет контактировать с другой поверхностью по большим площадкам, удельное давление окажется значительно меньше. При этом наблюдается обратная зависимость для маслоемкости: она велика у поверхности с заостренными неровностями и ничтожно мала у поверхности с притупленными неровностями при одинаковой высоте.
Кроме того, при чрезмерно большой площади контакта высокогладких трущихся поверхностей, отличающихся еще и пониженной маслоемкостью, начинают проявляться эффекты адгезии и молекулярного сцепления. В этом случае могут образовываться местные металлические связи на трущихся поверхностях и разрушение этих связей с отделением частиц металла или налипанием их на поверхность трения. Происходит схватывание, образуются задиры (повреждения поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения).
Впадины микрорельефа играют роль ловушек для твердых частиц, образующихся в результате износа поверхности. Они определяют способность поверхности удерживать эти твердые частицы, локализуя их действие и снижая абразивный износ.
Размер и форма неровностей - взаимосвязанные характеристики поверхности, поэтому, если надо обеспечить наилучшие эксплуатационные свойства (повысить износостойкость) той или иной детали, то необходимо найти наилучший способ их микроструктурирования.
Согласно приведенному анализу способов лазерного микроструктурирования, для поверхностей трения вполне может подойти сетка достаточно глубоких кратеров, которые будут играть роль и маслоемких карманов, и ловушек для твердых продуктов износа. Подобный подход был реализован в работе [9].
Для производства микроструктур (микропор) был использован Кё:УЛО лазер с модуляцией добротности. Лазер работал в одномодовом режиме и генерировал импульсы длительностью 100 нс. Оптическая фокусирующая система была оптимизирована с тем, чтобы обеспечивать максимальное соотношение глубины кратера к диаметру. При этом использован режим многоимпульсной обработки одного кратера, что позволяет осуществить более точный контроль его параметров.
В результате для триботеста, используя оптимизированные параметры (энергия импульса, фокусирующая система), на плоскости образца из нержавеющей стали был сформирован двумерный массив кратеров. Диаметр кратеров лежал между 5 и 50 мкм с различными интервалами между ними. Благодаря минимальному размеру оплавленных ободков требовалась только малая постобработка, и это не влияло на чистоту трущихся поверхностей (рис. 6).
Рис. 6. Изображение структурированных поверхностей
Характеристики трения исследуемых микроструктурированных стальных поверхностей были определены стандартным устройством ЬаИ-оп-^к. В таком устройстве (трибометре) шарик придавливается к плоской поверхности образца диском, направление давления было параллельно оси вращения диска. Двигаясь, шарик оставляет на образце след в виде круга. Шарик диаметром 6 мм сделан из твердого металла ^С +6%С0). Все лазерные микроструктурированные стальные диски имели диаметр 22 мм и толщину 5 мм.
Условия триботеста: скорость скольжения 1 см/с, нормальная сила 30 Н, температура 22±1 °С, относительная влажность окружающей среды 50 %. Смазка стальных дисков была проведена при помощи распыления, что обеспечивало расход смазки 0,2 мкл на каждый образец. Триботест автоматически прекращался, когда коэффициент трения достигал предельной величины |д=0,5 (контакт сталь-сталь). На поверхности различных образцов были нанесены структуры с различной морфологией:
для исследования влияния структур на трибологические свойства поверхности менялись диаметры и глубина микропор, плотность распределения по поверхности. Результаты измерений показаны на рис. 7.
100 90 75 60 5 1 0 2 0
Контактная поверхность (%) Г луйинамикр о стр ук iyp (мкм)
В кратеры д и а м е тр о м 1 0 м к м
....................... Неструктурированная поверхность ._.
LJ кратеры диаметром 2 5 м к м
Рис. 7. Влияние площади контактной поверхности (а), диаметра и глубины
микропор (б) на срок службы
Критерием износостойкости считался отрезок времени, на котором трение начинало быстро возрастать и достигало предельного значения Выяснилось, что срок службы неструктурированных поверхностей минимален, для структурированных поверхностей наблюдается возрастание срока службы в 8 раз. Послетестовые анализы показали, что структуры, созданные на поверхности, по-прежнему присутствуют.
Таким образом, убедительно продемонстрирована перспективность лазерного микроструктурирования поверхностей с целью улучшения их трибосвойств.
Достоинства лазерного микроструктурирования, основанного на испарении, позволяют говорить о перспективности дальнейших исследований данного метода.
Литература
1. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001
2. Вейко В.П. Лазерное микроформообразование (физические основы, применения, проблемы и перспективы). // Известия Академии наук. Сер. физ. 2001. Т. 65. № 6.
3. M.Gower. Excimer laser microfabrication and micromachining. // Riken Review. №32, January 2001. Р.50-57.
4. Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны в оптике. // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 10.
5. Yuji Kawakami, Eiichi Ozawa. Non-lithographic coherent array of ultrafine particles on an irradiated material using Nd:YAG laser. // Proc. SPIE. V.4088. Laser Precision Microfabrication. 14-16 June 2001. Р.228-231.
6. Вейко В.П., Шахно Е.А Устройство для лазерной обработки материалов. А.С. № 1107431. 08.04.84
7. Агеев В.П., Буйлов Л.Л., Конов В.И., Кузьмичев А.В., Пименов С.М., Прохоров А.М.. // Доклады РАН. Сер. физ. 1988. Т. 33. С. 840.
8. Вейко В.П. Шахно Е.А., Шакола А.Т., Яковлев Е.Б. Лазерная технология формирования асферических оптических поверхностей. // Известия Академии наук. Сер. физ. 1997. Т. 61. № 8. С. 1565-1572
9. H.P. Weber. Laser microstructuring of surface for improving their tribological perfomance. // Proc. .SPIE. V. 4157. Laser-assisted Microtechnology. 23-25 August 2000. Р. 105-112
