Способ обработки материалов

СОЮЗ СОВЕСНИХСОЦИАЛИОТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) Н 1) З(50 С 30 В 31 ГОСУДАРСТВЕННЫПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ МИТЕТ СССР НИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕТЕЛЬС АВТОРСКОМУ Л 4) вклю вант ние оду В 43(71) Московский ордена ТрКрасного Знамени инженернкий институт(56) 1. Патент Франции Всле Н 01 д 3/00,.21.03.722. Ауегз Л .0.,8 сЬавйегСопво 1 Ыай 1 оп оГ р 1 азщазрсоаС 1 пдв Ьу 1 азег геще 1 г 1ЗР 1 Е, 1979, 198, р, 57-64тотип).(57) СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ чающий нанесение пленки диффуа на их поверхность и облучелаэером, работающим в режиме м лированной добротности, о т л ич.а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения корроэионной стойкости, иэносостойкости, твердости матери ла, пленку -диффуэанта наносят в виде последовательных слоев различных элементов нли их сплавов тол.о(щиной 10 -10 А и облучение ведут импульсами лазерного излучения с, плотностью мощности в диапазоне 10 в ВтсмИзобретение относится к способамобработки материалов лазерным пучкоми может быть использовано в технологии металлов и полупроводниковой:электронике при производстве материа"лов с повышенной корроэионно- и износостойкостью.Известен способ обработки материалов,включающий нанесение пленки диф-,фуэанта на их поверхность и облучениелазером, работающим в режиме модули 10рованной добротности, В основе известного способа лежит процесс диффузии примеси из нанесенной пленки вусловиях термического равновесияпод действием лазера. длительность 15импульса лазера составляет 0,5 -3 мс 1.Укаэанный способ применяется пре. имущественно для легирования полупроводников и обладает рядом недостатковф Ограничен круг внедряемыхэлементов, который определяетсярастворимостью примеси в Материале;невозможно проведение одновременного сложного легирования несколькими элементами, резко отличающимисярастворимостью в легируемом материале с заданной концентрацией компо-нент примеси, Способ принципиально не позволяет создавать метаста-.бильные поверхностные сплавы из-замалой скорости ввода энергии в образец, Для получения сильно легированных поверхностных сплавов требуются значительные затраты времени, которые определяются скоростями диффузии примеси в материале,;Невозможно в одном технологическомпроцессе совместить процессы легирования примесью с заданной концентрацией и изменения структуры поверхностного слоя что часто является оп-.ределяющим фактором в измененииповерхностных свойств материалов.Наиболее близким к предлагаемомупо техническому решению является спо"45соб обработки материалов, включающийнанесение пленки диффузанта на их поверхность и облучения лазером.Толщина пленки составляет 100-1000 мкм,орлучение ведут С 01 лазером в течение 50нескольких миллисекунд при плотности,мощности излучения л 106 Вт/см 21 .Известный способ обработки позволя;ет только при совместимости матерналов пленкии подложки улучшать коррозионную стойкость и не позволяетулучшать износостойкость, учет совместимости материалов пленки и подложки является серьезнымнедостатком известного способа. Кроме того, обработка материалом известнымспособом на воздухе приводит к силь. ному окислению поверхности, что отрицательно влияет на корроэионнуюстойкОсть и изнОсОстОЙкОстьУсло вня облучения по известному способутакие, что плавится только пленка,а подложка не плавится, что в своюочередь не обеспечивает глубокоепроникновение примеси из пленки вподложку,". Целью изобретения является повышение коррозионной стойкости, износостойкости, твердости материала.Поставленная цель достигаетсятем, что по известному способуобработки материалов,. включающемунанесение пленки диффуэанта на ихповерхность и облучение лазером,работающим в режиме модулированнойдобротности, пленку диффуэанта на".носят в виде последовательных слоевразличных элементов или их сплавовтолщиной 10 -10 А и облучение Негдут импульсами лазерного излученияс плотностью мощности в диапазоне. 10 Д" Вт/смг,При плотностях мощности излучения меньших 100 Вт/см не происходит сильного разогрева материала(для ряда материалов температуране достигает температуры плавления),вследствие чего процесс легированияидет неэффективно, толщина легированного слоя мала, получаемыеконцентрации примеси незначительнычто не приводит к улучшению коррозионно- и износостойкости материала.При плотностях мощности больших,чем 10 Вт/см, наоборот, в начальной стадии взаимодействия излученияс материалом происходит быстрыйразогрев материала и его испарение,Затем большая часть падающей энергиипоглощается образующимся паром иидет его ионизация. Значительныйвынос массы, экранирование основыобразующейся плазмой и, как следстевие, недостаточный нагрев . материала препятствует .эффективному процессу легирования и приводит к значительной потере диффузанта;Выбор толщины пленоки диффузанта в диапазоне 10 -104 А определяетсягтребованием получения однородного по поверхности, достаточно глубокого поверхностного сплава, обладающего хорошим сцеплением с матрицей исходного материала. При толщинахо пленки меньших, чем 10 А на поверхности материала после облучения лазерным импульсом не образуется, сплошного защитного слоя, а получается очень тонкий поверхностный сплав, характеризующийся значительной неоднородностью распределения внедряемых элементов по поВерхности, Такой тонкий и неоднородный по поверхности сплав существенно не влияет на поверхностные свойства исходного материала,Нанесение пленок диффузанта толщиной большей, чем 10 ф А приводитк тому., что облучение импульсами лазера, работающего в режиме модулированной добротности, не приводит к сильному разогреву и плавлению исходного материала. Вследствиеэтого не происходит заметной диффуэии легирующего материала иэ пленки в матрицу исходного материала.Сплав материалов не образуется, а поверхностная пленка обладает йлохими защитными свойствами.Предлагаемый способ позволяет -проводить одновременное сложное легирование основы несколькими элементами. В данном случае примесная пленка формируется в виде сэндвича из различных материалов., Варьируя и зада" вая толщины слоей в пленке для различных элементов, с. учетом их физи" ко"химических параметров, можно, используя соответствующие плотности мощности лазерного излучения,получать поверхностные сплавы с определенным, заданным составом примеси. Тем самым можно добиваться программируемого изменения физических и химических свойств материалов, повышать их коррозибнную стойкость; твердость, износостойкость.Пленку диффузанта можно Формировать в виде гомогенного сплава. Изменяя относительную концентрацию примесей в гомогенной пленке, можно после облучения получать поверхностные сплавы заданной концентрации;Предлагаемый способ позволяет одновременно с легированием основы изменять структуру поверхностного сплава, Подбором соответствующей композиции примесей и выбором определенной плотности мощности излучения можно аморфизировать поверхностный слой исходного матери-. ала. Например, облучая лазером примесную пленку на железе, Формируемую в виде сэндвича из последовательных слоев хрома, бора, фосфора,где бор и фосфор играют роль аморФизирующих добавок, а хром - легирующий элемент, удается получить поверхностный аморфный сплав желе-. , за с хромом.П р и м е р 1. Для повышения коррозионной стойкости и твердости стали марки Х 25 на полированную поверхность исходного образца напыляют слой никеля. Образец имеет размеры 1 х 1 см и толщину 1 мм. Напыление проводят в вакууме 5 10 ммрт, ст. Образец с пленкой диффузанта облучают на воздухе из.лучением неодимового лазера ( Я щ а 1,06 мкм), работающего в режиме модулированной добротности; Плотность мощности излучения составляет 5 10 Вт/см . Толщину пленкинапыленного никеля для разных образцов берут равной 100,200,300,400,600,1000 А,Коррозионную стойкость облученных образцов исследуют потенциостатическим методом на потенциостатеПМ в 1 н. растворе серной кислоты при 25 С. Микротвердость измеряют на микротвердомере ПМТпри на 10 грузке 50 г.На фиг. 1 показана зависимость тока пассивации образцов стали Х 25. ) от толщины (д) пленки никеля после лазерного облучения.15Из фиг. 1 видно,что для тех об,разцов, на которые напыляют пленкиникеля больше 200 А после облучения,лазерным. излучением с потоком мощнос-.ти, равным 510 Вт/смд ток пассивации уменьшается более, чем в 9 раз.Уменьшение тока пассивации свиДетельствует о значительном увеличении коррозионной стойкости стали Х 25в растворе серной кислоты после обработкиРезультаты измерения микротвердости образцов стали Х 25 до и послеобработки представлены в табл. 1.Из табл 1 видно, что использование предлагаемого способа .позволя 30ет увеличить микротвердость сталиХ 25 в несколько раз.П р и м е р 2 . На полированныеобразцы .стали Х 25, имеющие размеры1 х 1 см и толщину 1 мм, напыляют мо-:либден. Напыление производят в вакууме 10 мм рт. ст, Толщина напыленного слоя составляет 1500 А. Облу-чение проводят в вакууме 5, 10 ммрт. ст, лазером на неодимовом стек 40 ле ( 9 =1,06 мкм), работающим в ре- .жиме гигантского импульса. Плотность мощности падающего излучениясоставляет в первом случае 5,; 10 Вт/см, во второй - 5 10 Вт/смгоР45 в третьем - 5 10 Вт/см . Обработанные образцы исследуют на коррозионную стойкость потенциостатическимметодом в 1 н. растворе серной кислоты на потенциостате ПМ.На фиг. 2 показана зависимостьтока пассивации обработанных образцовот плотности мощности лазерного излу.чения..Из Фиг. 2 видно, что при напыленииь1500 А молибдена на сталь Х 25и облучении лазерным излучением сплотностью мощности 5 10 Вт/см ток9 2пассивации уменьшается более, чемна порядок, что свидетельствуето значительном увеличении коррозион.ной стойкости об(аботанных образцовпо сравнению с. необработанными.Микротвердость измеряют на микротвердомере ПМТпри нагрузке 50, г.у Результаты измерения микротвердостидо и после обработки представлены в табл. 2,Представленные в табл, 2 результаты. свидетельствуют о значительном увеличении микротвердости стали Х 25 после обработки лазерным из; мучением в сочетании с поверхностным легированием молибденом.П р и м е р 3. На полированную поверхность железа армко напыляют в вакууме 5, 10 мм рт. ст, пленку в виде сэндвича. Сначала напыляют слой. фосфора толщиной 300 А, затем слой никеля толщиной 900 1. Облуче ние ведут на воздухе рубиновым лазе ром, работающим в режиме модулированной добротности с плотностью мощности 108 Вт/см ,Образец имеет, размеры 1 х 1 см и толщину 1 мм.Измереиие Микротвердости прОво" дят на приборе ПМТс нагрузкой 50 г. Корроэионную стойкость оце нивают по току полной пассивации на анодной потенциостатической поляризационной кривой, которую снимают на потенциостате ПМ в растворе 600 г/л гидроокиси натрия; Реэультатй измерения микротвердости и тока полной пассивации для об- разца до и после обработки представ лены в табл, 3.Из табл, 3 видно, что обработка исходного образца по предлагаемому способу более чем на порядок уменьщает ток полной пассивации,что сви :детельствует о.значительном увеличении коррозионной стойкости образ.- ца и в несколько раз увеличизает микротвердость образцаП р и м е р 4, На полированную, поверхность железа армко напыляюй в вакууме 5 10мм рт. ст. пленку в виде сэндвича, Сначала,напыляют слой фосфора толщиной 300 А , затем слой углерода толщиной .150 А, а затем слой никеля толщиной 1300 й. Облуче ние ведут в вакууме 10 " мм рт. ст. неодимовыл лазером, работающим в режиме модулированной добротности с плотностью мощности в импульсе - 10 Вт/см. Образец имеет размерыИ1 х 1 см и толщину 1 мм.ВИзмерение микротвердссти проводят на микротвердомере ПМТЗ с нагрузкой 50 г. Коррозионную стойкость исследуют потенциостатическим методом на потенциостате ПМ в растворе 600 г/л гидроокиси натрия. Результаты измерения микротвердос" ти и значения токов полной пассивации для образца до и после обработки представлены в табл. 4.Представленные в табл.4 результаты показывают, чтолегирование железа .никелем в сочетании.с аморфи зирующими добавками - фосфором и углеродом - с.использованием лазерного излучения приводит к увеличениюкоррозионной стойкости (оцениваемойпо току полной ассивации) более,чем на два порядка и к значительно-,му увеличению микротвердости.П р и м е р 5. На полированнуюповерхность образцов стали ЗОХ 13,имеющих размеры 1 х 1 см и толщину1 мм, напыляют в вакууме 5,10 мм 0 рт. ст. гомогенную пленку карбидавольфрама толщиной 11001. Облучают,на воздухе лазером на неодимовомстекле, работающем в режиме модулированной добротности. Плотность мощ" )5 ности в импульсеизлучения составля=ет 510 Вт/смД Микротвердость измеряют на микротвердомере ПМТс нагрузкой 50 г, щ Коррозионную стойкость исследуют потенциостатическим методом в 30-ном растворе азотнокислого натрия прй 95 С на потенциостате ПМ. В,отабл.5 приведены результаты иэмере 25 ния микротвердости и значения токаполной пассивации на анодной потенциостатической поляризационной кри.-.вой для образца до и после обработки.ЗОИз табл, 5 следует, что обработка стали ЗОХ 13 предлагаемым способом позволяет существенно повысить микротвердость поверхностного слоя и увеличить его коррозионную стой" кость.П р и м е р б. На полированнуюповерхность образца меди 99,9.)напыляют пленку циррония Напыление 40 ведут в вакууме 10 мм рт. ст. Раз"меры образца 1 х 1 см толщина 1 мм.Толщина пленки 400 К Образец с на.пыленной пленкой облучают импуль- сом йеодимового лазера с плотностью 45 мощности 10 Вт/см . Облучение ведутна воздухе. Микротвердость измеряютна микротвердомере ПМТс нагрузкой50 г,После легирования циркониемповерхностногослоя с использова, нием лазерного излучения микротвер .дость увеличивается до 650 10 ПаН р и м е р 7. На полированный образец железа армко в вакууме на ыля.,ют гомогенную пленку толщиной 10 К 55со следующей концентрацией компонентов: 70ат. хлора и 30ат.никеля. На другой образец железаармко напыляют пленку такой же толщины 10 а, но с содержанием компонентов;60 ат, хрома и 40 ат. никеля. 60 Образцы облучают на воздухе импульсом неодимавого лазера с плотностьюмбщности в импульсе 10 Вт/см,Корроэионную стойкость образцовисследуют потенциостатическим мето дом в 20-ном растворе серной кисло"1055784 ю татютюе юеаЮ тЮе Таблица 1 Толщина длояникеля, А До обработки После обработки 400 600 210 210 420 560 1000 210 710 Т а б л и ц а 2 Плотность мощностилазерного излучения,Вт/см 2 После обработки До обработки 5 105 10 210 660 210 780 5 ХО 210 1020 Таблица 3 ю ииее театютютютютютю етиатт ют юаи 490 118 0,5 0,02,ты. Микротвердость измеряют на мнкю ротвердомере ПМТс нагрузкой 50 г.Результаты измерения токов полной пассивации и микротвердости показывают, что после лазерного облучения пленки состава 70 ат.% хрома и 5 30 ат .% никеля тек .полной .пассиваю ции.уменьшается на три.порядка ве.личины по сравнению с исходным об-.разцом,.микротвердость увеличива-.ется в,1,5 раза. Для пленки состава 60 ат.В хрома и 40 ат,% никеля ток полной пассивации. уменьшается на два порядка величины по сравнению б исходным, микротвердость увеличивается в 2,5 раза. 15Из этого примера видно, что изменяя концентрацию в гомогенной пленке можно дифференцированно влиять.на свойства поверхностного слоя,В табл, 6 представлены данные по влиянию плотности мощности лаюю аюиюаею еюаааааеюиеюииа,Микротвердость, х 10 Па До обработки После обработки зерного излучения и толщины пленки диффузанта на коррознонную стойкость,.микротвердость, износостойкость и структуру покрытия.Представленные результаты указывают на то, что предлагаемый способ обработки материалов в сравнении с известным позволяет более эффективно и программированно воздействовать наповерхностные слои материалов и изменять их свойства: повышать коррозионную стойкость,износостойкость и микротвердость .Обю мучение материалов лазерными импульсами можно проводить на воздухе. Предлагаемый способ позволяет создавать сильно легированные слои,пою этому его можно рассматривать как способ альтернативный объемному легнрованию, что сулит значительную зкономию дорогостоящих, дефицитных материалов. Микротвердость, х 10 Па7 Микротвердость, х 107 Па гТок полной пассивации,мА/см Дообработки После обработки1055784 10 Таблица 4ввВее ввее До обработки После обработкиЙ еееа ае ев е аее вешав ЕЕеав ееевв ее 980 0,5 118 о,ооа Таблица 5вЬ евеаДо обработки После обработки вв ваваавваее ае Ф вее авва аа вв ееаа ааее ееав 1200 0,3 225 0 08 аа ав ее ав вв вв аее ееве ае Йа ав Микротвердость, и 10 Па ае ввМикротвердость, х 10 Па Ток полной пассивации, мЛ/смф до обработки после обработки Ток полной пассизации, мА/см До обработки . После обработки1055784 Составитель В.ЛакеенковН.Егорова Техред Т Маточка орректор А.Зимокос да Зака дписное филиал ПППфПатент , г. Ужгород, ул ная,9246/22 Тираж ВНИИПИ Государственно по делам изобретений 113035 Москва Ж,70 Поо комитета СССРи открытийРаушская наб., д. 4/5убрав