CC BY
64
УДК 620.178.15:666.01
ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ АМОРФНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА 82К3ХСР С РАЗНОЙ НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
© И.В. Ушаков
Ushakov I.V. Properties of impulse laser processing of amorphous metallic alloy 82K3XCP in wide initial temperature range. The evolution of mechanical properties of amorphous metallic alloy 82K3XCP under influence of impulse laser radiation is investigated. The influence of initial temperature of sample of amorphous metallic alloy on properties of laser processing is determined. The method of preparation of composites metallic glass - polymer substrate, which provides possibility of mechanical testing after laser processing, is developed.
ВВЕДЕНИЕ
Использование лазерного излучения обеспечивает возможность уникальной термической обработки, недостижимой другими методами. Существующие методики лазерного отжига позволяют осуществлять локальный, контролируемый по времени и распределению температуры термический нагрев твердого материала, что может быть использовано для различных видов термической обработки: сварки, горячей резки металлов [1-3]. Существует возможность обеспечить концентрацию световой энергии в малых объемах и в малых промежутках времени. Воздействие импульсного лазерного излучения на вещество позволяет получить высокие скорости нагрева и охлаждения материала. Воздействие коротких импульсов лазерного излучения на массивные образцы с хорошим теплоотводом от поверхностных слоев сопровождается высокими скоростями скорости нагрева и охлаждения, что позволяет осуществлять закалку, аморфизацию поверхности и пр.
До настоящего времени сравнительно мало исследованы методы лазерной обработки аморфно-нано-кристаллических и аморфных металлических сплавов. Они являются перспективными и практически востребованными материалами. Многие аморфные сплавы обладают хорошей пластичностью на изгиб, высокой механической прочностью, износостойкостью и вязкостью. Некоторые аморфные сплавы характеризуются высокой стойкостью против коррозии и радиационного разрушения, хорошей магнитной проницаемостью. В некоторых случаях аморфные и аморфно-нанокристал-лические металлические сплавы нуждаются в дополнительной термической обработке. Использование современных лазерных технологий способно не только увеличить эффективность отжига, но и обеспечить условия обработки, недостижимые традиционными методами, что позволит получать материалы с новыми свойствами [4-6]. Таким образом, целью данной работы является исследование эволюции свойств аморфного металлического сплава 82К3ХСХР, подвергнутого воздействию лазерного излучения, совершенствование имеющихся методов исследования механических характеристик лазерно-облученных областей.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на аморфном металлическом сплаве 82К3ХСР и на аморфно-нанокристаллическом материале полученным контролируемым отжигом данного сплава. Толщина ленты 30 мкм, состав: 83,7% Со + + 3,7 % Ее + 3,2 % Сг + 9,4 % 81 (вес, %). Характер деформирования и разрушения металлического стекла, а также его пластичность исследовали на микротвердомере ПМТ-3. В связи с тем, что малая толщина металлического стекла не позволяет проводить индентиро-вание значительными нагрузками по стандартным методикам, перед индентированием образцы размещали на подложках [7].
Однако в условиях воздействия лазерного излучения использование указанной методики [7] встретило ряд трудностей. Предварительное облучение и последующее нанесение образцов аморфного металлического сплава на подложки вызывает их растрескивание и необратимые деформации, что делает дальнейшие измерения некорректными. Облучение образцов, нанесенных на подложки, приводит к их отслаиванию от материала подложки, прожигу подложки с изменением свойств выжженного слоя. Проведенные исследования показали практически полную непригодность традиционных подложек [7] для осуществления достоверных механических испытаний образцов, подвергнутых лазерному отжигу [8].
В связи с указанной проблемой особую важность приобретает поиск высокоэффективных материалов, которые могут быть использованы в качестве подложек для аморфных металлических сплавов, подвергаемых лазерному воздействию. В процессе экспериментального поиска материалов для подложек удовлетворительные результаты получены на высокотемпературных герметиках производства США. Данные герметики имеют высокие, до 485° С рабочие температуры. В режиме кратковременного лазерного отжига <1 мс подложка выдерживала и более высокие температуры. Даже в случае проплава и прожига аморфного металлического сплава не отмечали значительного отслаивания образца от подложки.
Испытания подложек осуществляли также с использованием новых высокотемпературных кремний-
органических материалов, на которых также удавалось получать результаты, пригодные для проведения последующих механических испытаний с удовлетворительной точностью.
Лазерную обработку первой серии образцов металлического стекла осуществляли с помощью оптического квантового генератора «КВАНТ-15» с длиной волны излучения X = 1064 нм и мощностью импульсов до 6 Дж. Варьируя площадь облучаемой поверхности, добивались различных режимов обработки поверхности: от ее прямого нагрева лазерным излучением до инициирования лазерной плазмы.
Обработку второй серии образцов осуществляли с использованием оптического квантового генератора, позволяющего облучать импульсами длительностью 20-30 нс.
Для определения влияния исходной температуры образца на деформирование и разрушение, инициированное воздействием лазерного импульса, варьировали исходную температуру образца от -195,8° С (температура жидкого азота) до 25° С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Результат воздействия импульсного лазерного излучения на поверхность образца зависит от плотности энергии. Варьируя площадь облучаемой поверхности, добивались различных режимов лазерной обработки поверхности: от прямого нагрева поверхности лазерным излучением до инициирования лазерной плазмы. По мере повышения плотности энергии меняются механические характеристики облученной зоны, затем из-за оплавления поверхности область облучения становится различимой в оптическом микроскопе (рис. 1а, б). Фокусирование импульса с энергией 4-6 Дж на поверхность приводило к формированию плазменного факела и локальному прожигу (рис. 1 в).
Форма лунки и макрохарактер повреждения не зависят от исходной температуры. Однако микрохарактер повреждения проявляет сильную зависимость от исходной температуры.
При температуре 25° С зона облучения окружена оплавленным материалом (рис. 1, 2). В области лазерного воздействия возможно формирование трещин. Возникновение трещин связано с появлением высоких механических напряжений при кристаллизации расплавленного материала. Отмечены единичные случаи возникновения трещин, которые выходят за область облучения. Возникнув в зоне кристаллизации, вблизи центра зоны облучения лазерная трещина распространяется в хрупком материале (рис. 2а). При пересечении границы зоны облучения, переходя в исходный материал, рост трещины сопровождается интенсивным пластическим деформированием и потерей энергии, что приводит к ее остановке (рис. 2б).
Методом локального нагружения на подложках определено, что переходная зона между модифицированным материалом и материалом с неизменившимися свойствами не превышает 5-20 мкм (рис. 3). Это свойственно для всех исходных температур образца. Ин-дентирование облученной области или границы вызывало растрескивание, индентирование исходного материала на расстоянии ^ 20 мкм от границы (что в неко-
торых случаях было сопоставимо с размером отпечатка индентора) не вызывало растрескивания. Схожие характеристики деформирования и разрушения получены для оплавленных участков без центрального прожига. В соответствии с ранее полученными результатами и разработанной методикой механических испытаний [7, 9] можно заключить, что уже на расстоянии ^ 20 мкм температура лазерного модифицирования материала не превышает 400° С в эквиваленте печного отжига.
в)
Рис. 1. Изменение морфологических особенностей области лазерного облучения (исходная температура 25° С), подвергнутой воздействию однократного лазерного импульса по мере повышения энергии импульса (от « 1 до 6 Дж)
б)
Рис. 2. а - трещина (показано стрелкой), возникшая в центре зоны облучения, при кристаллизации расплавленного материала; б - стрелкой показано пересечение трещиной границы области облучения
Рис. 3. Инициирование трещины локальным нагружением пирамидкой Виккерса в переходной зоне между оплавленным и исходным материалом
По мере понижения температуры увеличивается хрупкость материала, затрудняется пластическое деформирование. Следствием импульсного лазерного облучения является появление микротрещин на границе между оплавленной зоной и исходным материалом (рис. 4). Появление трещин связано с возникновением термических напряжений, распространению трещин
способствует высокая хрупкость охлажденного материала. Трещины, как правило, огибают облученную зону, что связано с полем термических напряжений (за исключением трещин, распространяющихся от границы оплавленной зоны вдоль прямой, совпадающей с радиусом). Симметричная картина распределения термических напряжений обуславливает прямолинейность распространения указанных трещин (рис. 4а, в).
Индентирование участков облученной зоны (исходная температура образца 25° С), равноудаленных от центра, позволило получить зависимость числа нагружений, сопровождающихся формированием трещин от нагрузки на индетор. Экспериментальные данные аппроксимировали линейной зависимостью N = аР + Ь. На основании сопоставления коэффициентов, полученных при аппроксимации экспериментальных данных с данными, полученными на образцах, подвергнутых печному отжигу [7-9], можно сделать заключение о состоянии материала в исследуемой области. Линейные зависимости с хорошими коэффициентами корреляции получали на образцах, облученных при температуре -195,8° С, например, зависимость № 2 (рис. 1) (а = 0,016, Ь = -0,61, Я = 0,91). Однако при изменении исходной температуры образца проводили корректировку энергии импульса и площади облучаемой поверхности, вследствие чего в настоящее время нельзя корректно сопоставить полученные результаты.
При условии, что размеры области облучения значительно превосходят зону нагружения, микрокартины разрушения схожи с полученными на образцах, подвергнутых печному отжигу, что позволяет по методике, разработанной на образцах, подвергнутых печному отжигу [7], определять пластичность в микрообластях лазерного воздействия. Одновременно выявлены особенности разрушения при индентировании микрообластей воздействия лазерного излучения, в которых размер зоны облучения сопоставим с размером области деформирования. На основании анализа характерных микрокартин разрушения и сопоставления их с аналогичными микроструктурами, полученными на образцах, подвергнутых печному отжигу, определяли эффективную температуру отжига материала, пластичность, другие характеристики.
По мере снижения плотности энергии воздействие импульса приводило к локальному нагреву без инициирования плазмы и четкого оплавления. Установлено существование критической (зависящей от исходной температуры образца и теплопроводности подложки) плотности энергии лазерного импульса, при которой механические испытания методом локального нагружения не выявляют изменения механических свойств.
Экспериментально установлено влияние характеристик подложки на зависимость вероятности Ш образования трещин при индентировании от величины нагрузки на индентор Р. Облучение импульсами образцов, находящихся на подложках, характеризующихся различной теплопроводностью, теплоемкостью, толщиной, приводило к изменению вероятности образования трещин в условиях локального нагружения. Вероятно, облучение в жидком азоте на массивной подложке, увеличивая скорость нагрева и охлаждения образца, затрудняет структурную релаксацию и последующее изменение механических свойств. В таких условиях лазерная обработка по разному влияет на нанокристал-
в)
Рис. 4. Микроструктура разрушения на границе металлического стекла, облученного при температуре жидкого азота импульсами миллисекундной длительности, с энергией 4-6 Дж: а) 1 -область облучения, 2 - оплавленная граница между исходным и облученным материалом, 3 - трещина, распространяющаяся от зоны облучения вдоль прямой, совпадающей с радиусом; б) стрелкой показаны следы деформирования в вершине остановившейся трещины; в) две трещины под действием несимметричного поля напряжений огибают область лазерного облучения, а центральная (маленькая) трещина, находясь в симметричном поле напряжений, распространяется прямолинейно
лическую и аморфную составляющую. Соответственно определены режимы обработки, позволяющие получить оптимальное соотношение механических характеристик образца за счет повышения пластических характеристик, определяемых методом лдокального нагружения, при сохранении неизменного значения микротвердости.
Таким образом, с использованием лазерного импульсного облучения образцов аморфного металлического сплава на подложке можно осуществлять локализованную, контролируемую по времени (десятки наносекунд) и распределению температуры (до единиц микрометров) обработку аморфного металлического сплава с малой границей между исходным и обработанным материалом.
ВЫВОДЫ
1. Импульсное лазерное воздействие позволяет осуществлять контролируемый по времени и распределению температуры отжиг аморфного металлического сплава с малой границей между исходным и обработанным материалом.
2. Определено влияние исходной температуры образца на особенности деформирования и разрушения, сопровождающие импульсное лазерное воздействие на аморфный металлический сплав, находящийся на массивной подложке. Показано влияние исходной температуры образца на величину критической плотности энергии лазерного импульса, вызывающей эволюцию механических свойств аморфного металлического сплава.
3. Показана возможность осуществления контролируемой лазерной обработки многокомпонентных аморфных металлических сплавов с временным разрешением до десятков наносекунд, а пространственным - до единиц микрометров. Возможности лазерного воздействия обеспечивают возможность управления структурой и свойствами аморфных и частично - кристаллизовавшихся материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Криштал М.А., Жуков А.А., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. 192 с.
2. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М.: Наука. 1991. 312 с.
3. Леонтьев П.А., Хан М.Г., Чекалова Н.Т. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. 142 с.
4. Манохин А.И., Митин Б.С., Васильев В.А., Ревякин А.В. Аморфные сплавы. М.: Металлургия, 1984. 160 с.
5. Алехин В.П., Хоник В.А. Структура и физические закономерности деформации аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 248 с.
6. Золотухин И.В., Бармин Ю.В. Стабильность и процессы релаксации в металлических стеклах. М.: Металлургия, 1991. 158 с.
7. Ушаков И.В., Федоров В.А., Пермякова И.Е. Определение пластичности металлического стекла микроиндентированием на подложках // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. № 7. С. 43-47.
8. Ушаков И.В., Поликарпов В.М. Экспериментальное исследование методом локального нагружения аморфных металлических сплавов подвергнутых лазерному отжигу // Физические свойства металлов и сплавов: тез. докл. 3-й Российской науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2005. С. 172-173.
9. Ушаков И.В., Федоров В.А. Влияние температуры отжига аморфного металлического сплава на основе кобальта на образование трещин при локальном нагружении // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 6. С. 77-80.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 05-01-00215).
Поступила в редакцию 10 декабря 2006 г.
