» » Радиационно-пучковые технологии модифицирования
18.01.2016

Модифицирование поверхности представляет собой технологию формирования поверхностного защитного покрытия, способствующего повышению механических, трибологических, коррозионных свойств изделий из металла основы благодаря созданию слоя сильно неравновесной структуры, а также в результате поверхностного легирования.
Радиационно-пучковые технологии модифицирования поверхности материалов, интенсивно развивающиеся в последние годы, основаны на результатах исследования взаимодействия ионов, электронов, атомов, плазмы, лазерного и гамма-излучения с твердым телом.
Радиационные эффекты при воздействии рассмотренных видов излучений и ускоренных частиц связаны с процессами диссипации энергии в результате их взаимодействия с атомами и электронами твердого тела.
При увеличении плотности потока энергии ускоренных частиц или излучений меняется характер воздействия на твердое тело, которое утрачивает чисто радиационный механизм и приобретает преимущественно термическую природу.
В связи с этим воздействие мощных электронных и ионных пучков (МЭП и МИП), лазерного излучения (ЛИ) и потоков высокотемпературной плазмы (ВТИП) с плотностью мощности выше 10в5 Вт/см2 рассматривают как воздействие концентрированных потоков энергии (КПЭ).
Обработка металлических материалов концентрированными потоками энергии применяется для модифицирования поверхности изделий.
Концепция применения радиационно-пучковых технологий с использованием воздействия концентрированных потоков энергии при производстве изделий точной геометрии и размеров в значительной мере сводится к быстрой закалке поверхностных слоев расплава в сочетании с термомеханической обработкой и непрерывным контролем.
При воздействии концентрированных потоков энергии достигается быстрое поверхностно-локализованное оплавление материалов. Высокие скорости охлаждения расплава при затвердевании на массивной холодной подложке приводят к быстрой закалке расплава,
В результате воздействия КПЭ происходят изменения состава, структуры и свойств приповерхностного слоя, поверхностно-чувствительных механических и физико-химических свойств материала. Эти изменения обусловлены интенсивными тепловым и ударно-волновым воздействиями, приводящими к получению неравновесных структурно-фазовых состояний, недостижимых при использовании традиционных технологий.
К основным преимуществам технологий модифицирования материалов с использованием концентрированных потоков энергии относят следующие:
— формирование быстрозакаленного аморфного или микрокристаллического состояния с аномально пересыщенными твердыми растворами и метастабильными промежуточными фазами;
— модифицирование тонких поверхностных слоев контролируемой толщины без изменения свойств объема материала;
— возможность обработки заданных участков поверхности с минимальными искажениями геометрии изделия и минимальными термическими напряжениями.
К основным недостаткам данных технологий можно отнести:
— относительно высокую сложность и дороговизну оборудования;
— трудности при обработке изделий сложной конфигурации;
— сравнительно небольшую толщину модифицированного слоя.
Параметрами, определяющими результат воздействия при обработке металлических материалов концентрированными потоками энергии, являются удельная мощность падающего потока q (Вт/см*), время воздействия излучения t(с), характер излучения (импульсный или непрерывный), температура мишени, тип среды в рабочей камере. Время импульсного воздействия может составлять от десятков пикосекунд (импульсный лазер) до десятков секунд и более при непрерывном пучке, а удельная мощность падающего потока q изменяется в интервале от 10в3 до 10в12 Вт/см2.
Применение КПЭ наряду с модифицированием поверхности позволяет проводить различные виды обработки материалов, в частности размерную обработку, резку металлов и диэлектриков, сварку, быструю пайку, фрезерование, а также получать отверстия и монтажные соединения в изделиях микроэлектроники.
Взаимодействие КПЭ с твердым телом при модифицировании поверхности конструкционных и функциональных материалов может протекать в виде процессов различной природы:
— быстрый нагрев металлической поверхности концентрированными потоками энергии и высокоскоростное охлаждение приводят к оплавлению и быстрой закалке расплавленного слоя металла ка глубину до нескольких десятков микрометров;
— прямая имплантация атомов и перемешивание, в том числе через жидкую фазу, сопровождается изменением элементного и фазового состава приповерхностных слоев или покрытий;
— испарение специальных мишеней и последующая конденсация частиц на подложку обеспечивают формирование пленок и покрытий, в том числе многослойных;
— ионное или плазменное распыление приводит к травлению, полировке, изменению топографии поверхности;
— ударно-волновое воздействие, в основном, изменяет дислокационную и зеренную структуру материалов.
КПЭ характеризуются высокой плотностью мощности (10в12 Вт/см2) и энергии (100 Дж/см2), высоким градиентом температуры в поверхностном слое (10в6-10в8 К/см), высокими скоростями нагрева и охлаждения (10в9-10в11 К/с).
При воздействии КПЭ на материалы поглощается энергия падающего потока, образуется тепловой источник, пространствен непременные характеристики которого определяются параметрами КПЭ, свойствами среды, физическими свойствами материала. Распределение энергии теплового источника зависит от распределения удельной мощности исходного КПЭ и эффективного коэффициента поглощения энергии.
Обычно при обработке материалов концентрированными потоками энергии продолжительность воздействия излучения превосходит 10в-8 с, а удельная мощность меньше 10в9 Вт/см2, поэтому нагрев поверхности можно анализировать с использованием представлений обычной теплопроводности и понятия «источник теплоты».
В результате поглощения энергии обрабатываемый материал нагревается вплоть до температур, приводящих к плавлению и испарению.
При использовании КПЭ с удельной мощностью потока выше 10в6 Вт/см2 происходит интенсивное испарение, которое сопровождается экранирующим действием.
Экранировка КПЭ обусловлена наличием пара вещества мишени при ее интенсивном испарении, а также частиц конденсированной фазы и дисперсных капель расплава. При определенных условиях наблюдаются автоколебания плотности потока энергии, температуры поверхности, плотности пара. Частота автоколебаний изменяется в диапазоне 0,1—10 кГц, а амплитуда колебаний температуры — в интервале (1—5)*10в2 К.
Существенное влияние на процесс модификации материалов оказывают автоколебания температуры поверхности. Например, микроструктура зон воздействия лазерного излучения на тугоплавкие металлы в среде азота при развитии автоколебательных процессов характеризуется многослойностью образования нитридом по глубине, которая коррелируете периодом автоколебаний температуры.
С точки зрения термодинамики неравновесных процессов возникновение автоколебаний и формирование при воздействии КПЭ неравновесных диссипативных структур происходит в результате самоорганизации систем, сильно удаленных от состояния равновесия, критерием образования которых является отрицательное значение избытка производства энтропии.
При удельной мощности потока до 10в9-10в10 Вт/см2 и достаточно большой длительности импульса > 10в-6 с в случае лазерного облучения образуется лазерно-плазменный факел. При воздействии плоской бесконечной волны лазерного излучения на поверхность мишени может устанавливаться самосогласованный режим. Повышение поглощения излучения плазмой сопровождается уменьшением энергии излучения, достигающего мишени, и снижением испарения вещества. С другой стороны, повышение температуры факела приводит к снижению поглощения излучения и, соответственно, повышению плотности потока энергии, достигающего мишени, что приводит к увеличению испарения мишени.
Повышение плотности потока лазерного излучения до 10в12-10в14 Вт/см2 и сокращение длительности импульса до наносекунд приводит к проявлению новых физических эффектов в условиях, когда мишень подвергается воздействию мощных тепловых и ударных волн, сопровождающемуся выбросом вещества из мишени. При сохранении низкой температуры мишени этот процесс называется абляцией.
Результат теплового воздействия различных видов КПЭ на поверхность металлических сплавов отличается главным образом различной поглощательной способностью ЛИ, МЭП, МИП, потоков ВТИЛ.
Распределение энергии по глубине мишени определяется природой КПЭ. При лазерном излучении происходит передача энергии электронам, при воздействии электронного пучка — электронам и ядрам, при ионной и плазменной обработке — атомам, электронам и ядрам. Наибольшая глубина проникновения в материал мишени достигается при воздействии электронного пучка. При электронном облучении толщина модифицированного упрочненного слоя почти в два раза больше, чем при лазерном воздействии.
Особый интерес с точки зрения технологий модифицирования поверхности представляет область лазерного глазурования (laser glazing), в которой удельная мощность быстро сканирующего луча составляет 10в4-10в7 Вт/см2.
Основные процессы при воздействии КПЭ рассмотрим на примере лазерной обработки.
Облучение поверхности металла коротким лазерным импульсом приводит к оплавлению и последующей быстрой закалке расплава.
Этот процесс может быть рассмотрен как последовательность трех стадий: поглощения энергии, оплавления и затвердевания. На первой стадии энергия лазерного излучения поглощается в материале и происходит нагрев слоя δ глубиной 250—700 А, которая определяется длительностью импульса tp и коэффициентом температуропроводности о (δ*= 2 atp), до температуры плавления металла (несколько тысяч градусов). Достигаемый температурный градиент составляет примерно 10в10 К/м, что соответствует тепловому потоку - 10в8 Вт/см2.
На второй стадии тепло от очень горячего расплава продолжает распространяться (диффундировать) в подложку, приводя к дальнейшему оплавлению металла.
Перемещение границы зоны плавления в глубь материала мишени продолжается до тех пор, пока за счет поглощения теплоты плавления не установится равенство тепловых потоков на глубину ~ 200 Л, определяемую показателем поглощения теплоты, подводимой от теплового источника и отводимой и объем твердой фазы.
Для условий лазерной обработки максимальная глубина оплавленного слоя составляет примерно 100 нм.
Соотношение между удельной поглощенной энергией, временем воздействия и глубиной расплавленного слоя приведено на рис. 20.1.
Радиационно-пучковые технологии модифицирования

В общем случае плавление поверхности твердого тела при воздействии КПЭ происходит при некоторой критической удельной мощности КПЭ, которая согласно модели теплового источника для металлов Cu, Ni, Ti, Al составляет 3*10в3-3,5*10в7 Вт/см2 при длительности импульса 10в-3—10в-8с.
Форма расплавленной области при воздействии КПЭ ка поверхность материала мишени может изменяться в зависимости от характеристик КПЭ и свойств обрабатываемого материала. На поверхности обрабатываемого тела может возникать тонкий слой расплава, а может происходить глубинное проплавление, при котором отношение глубины проплавления к диаметру зоны расплава намного больше единицы. Последний процесс характерен для поверхностей, подвергающихся воздействию сфокусированных лазерного и электронного пучков.
При воздействии КПЭ на твердое тело возникают градиенты температуры, которые обусловливают появление вынужденной конвекции в слое расплава и деформацию его поверхности.
Существенное влияние на протекание процессов тепло- и массопереноса в расплаве и, соответственно, на формирование структуры и состава поверхностного слоя оказывают гидродинамические процессы на поверхности расплава, обусловленные возбуждением капиллярных волн.
Действие термокапиллярных сил и давления пара при интенсивном испарении приводит к эффекту глубинного проплавления.
Третья стадия представляет затвердевание на нерасплавленной основе новых кристаллов или аморфной фазы,
Скорость охлаждения расплава может превышать критическую скорость закалки, при которой подавляется процесс кристаллизации. Параметры быстрой закалки поверхностного слоя можно оценить из следующих соображений.
В предположении, что температура плавления металлического сплава составляет порядка Tm = 10в3 К, а глубина оплавленного слоя d~10в-7 м, температурный градиент определяется величиной vT = Tm/d = 10в10 К/м. Скорость охлаждения можно оценить соотношением аvТ/d = 10в12 К/с. При этом время жизни расплава Tm/(аvT/d)= 10в-9 с, что согласуется с измерениями отражающей способности поверхности при воздействии лазерного импульса.
Кратковременность воздействия, сопровождающегося оплавлением и последующим высокоскоростным затвердеванием, ограничивает происходящие при этом превращения.
Для расплавленного слоя толщиной d= 100 нм кристаллизация в период охлаждения ~ 1 не протекает со скоростью u=d/t=100 м/с. При этом время кристаллизации монослоя толщиной ~3 А составляет 3 пс, так что расстояние диффузионного перемещения атома за это время - (Dt)t/2 (где D — коэффициент диффузии в жидкой фазе) меньше межатомного расстояния.
Это означает, что при воздействии короткого лазерного импульса диффузия не успевает пройти на большие расстояния и возможны только бездиффузионные превращения без разделения компонентов при росте из расплава кристаллов того же состава или при образовании аморфной фазы.
Для более длительных импульсов (10—100 нс) или высоких плотностей потока, при которых образуется более толстая пленка расплава 0,1—1 мкм, скорость последующего затвердевания ниже и становится возможной некоторая степень разделения элементов сплава с образованием, как правило, очень дисперсных фаз.
При обычном затвердевании скорость процессов на поверхности раздела расплав — твердая фаза намного выше, чем скорость отвода тепла, так что переохлаждение на поверхности раздела мало. Этот вид роста характеризуется как процесс, лимитированный отводом тепла.
При закалке поверхностного слоя, оплавленного лазерным излучением или другим КПЭ, скорость отвода тепла гораздо выше, чем скорость процессов на межфазной поверхности, так что переохлаждение велико и могут образовываться метастабильные фазы. Это соответствует поверхностно-контролируемому росту.
При большом переохлаждении в условиях заторможенности перераспределения элементов число метастабильных фаз, свободная энергия образования которых ниже, чем свободная энергия образования расплава, может быть значительным.
Принципы, определяющие предпочтительное образование метастабильных фаз согласно традиционной термодинамике, в этом случае сводятся к наиболее вероятному фазовому превращению с образованием фазы с минимальным изменением свободной энергии. Превращения, которые требуют минимальных изменений в пространственном расположении атомов и их колебательном движении, являются наиболее вероятными. Для процесса кристаллизации это означает, что зарождаются и растут преимущественно фазы с малой элементарной ячейкой и высокой степенью изотропии.
Соотношение между удельной мощностью КПЭ, глубиной расплавленного слоя и скоростью его охлаждения приведено на рис. 20.2. Из этой зависимости для чистого никеля следует, что скорость охлаждения определяется глубиной расплава и удельной мощностью, т.е. высокоскоростное охлаждение расплава достигается при тонком слое расплава.
Радиационно-пучковые технологии модифицирования

В этом случае формируется быстрозакаленное состояние, достигаются однородность высокодисперсной структуры и снижение сегрегации легирующих элементов.
Скорость охлаждения тонкого приповерхностного слоя после оплавления является важной характеристикой методов модифицирования с использованием КПЭ. Она может достигать 10в4-10в10 К/с а зависимости от удельной мощности поглощенного потока, длительности воздействия и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.