Методы поверхностной лазерной обработки

Лазерная обработка поверхностей материалов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. Лазерный луч обладает рядом преимуществ:

1) высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхностного участка без нагрева остального объема и нарушения его структуры, что приводит к минимальному короблению деталей;

2) высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема с большими скоростями при очень малом времени воздействия;

3) возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной лазерной обработки, причем в каждом методе можно легко регулировать структуру поверхностного слоя, такие его свойства, как твердость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков и др.;

4) отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал дает возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции;

5) возможность обработки на воздухе, легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д. определяют высокую технологичность лазерного луча;

6) возможность транспортировки излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе и с помощью высококонцентрированных источников нагрева, применить невозможно.

В зависимости от соотношения времени воздействия излучения и времени релаксации и от плотности мощности лазерного излучения можно условно рассматривать следующие методы поверхностной обработки: лазерная термообработка, оплавление, получение поверхностных покрытий, ударное воздействие, инициирование поверхностных химических реакций.

Методы лазерной термообработкиана­логичны обычным методам термической обработки спла­вов. В этом случае необходима плотность мощности лазерного излучения ~ 10³- 10⁴Вт/см², а время его воздействия ~ 10^-2- 1 с. Для осуществления лазернойзакалки (термоупроч­нения) локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур, а после прекращения действия излучения этот участок охлаждается с высокой скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои металла. Высокая ско­рость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах и к высокой твердости поверхности.

Практический интерес представляет определение глубины закаленного слоя при лазерной закалке импульсным излучением. В первом приближении можно считать, что глубина закаленного слоя определяется размером зоны, в которой при нагреве лазерным воздействием была достигнута критическая температура закалки Т_зак. В этом случае для приближенного определения глубины закаленного слояz_закпри лазерном воздействии импульсом длительностьюτ_иможно воспользоваться следующим выражением:

, (12.15)

где а- коэффициент температуропроводности материала;_Т– коэффициент теплопроводности материала;q_п– плотность мощности лазерного излучения..

Одномерное представление температурного поля позволяет определить скорость охлаждения материала на поверхности:

(12.16)

где с – теплоемкость;– плотность материала.

В том случае, когда толщина обрабатываемой дета­ли соизмерима с размерами зоны лазерного воздействия и условия ускоренного теплоотвода не обеспечиваются, имеет место лазерный отжиг. Такая технологическая операция нашла широкое применение в микроэлектро­нике для отжига полупроводниковых материалов, в осо­бенности имплантированных на металлические подложки. Лазерный отжиг преследует цель получения более равновесной структуры по сравнению с исходным состоянием, обладающей большей пластичностью и меньшей твердостью. Отжиг может проводиться с оплавлением поверхности и без оплавления. Зона лазерного воздействия в общем случае состоит из двух слоев: зоны оплавления и зоны термического влияния. Отжиг может быть двух видов: отжигIрода и отжигIIрода. ОтжигIрода устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предыдущими обработками. В зависимости от назначения различают следующие виды отжигаIрода: диффузионный отжиг (гомогенизация), рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных напряжений. В результате неравновесной кристаллизации твердого раствора химический состав в сечении каждого кристаллита может оказаться переменным. Для выравнивания химического состава применяют диффузионный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев исходного материала выше температуры рекристаллизации (температура, при которой начинается образование зародышей новых зерен с неискаженной решеткой и значительно меньшей плотностью дефектов), выдержку при этой температуре с последующим охлаждением.

При отжиге IIрода в материалах происходят качественные или количественные изменения фазового состава при нагревании и обратные изменения при охлаждении.

При оплавлении для улучшения качества поверх­ности (уменьшения пористости или шероховатости) ре­жимы обработки подбирают исходя из требований полу­чения наилучшего микрорельефа поверхности, а ско­рость охлаждения в этом случае, как правило, не регла­ментируется. В процессе оплавления в структуре материала имеют место те же фазовые и структурные превращения, что и при лазерной закалке.

При обеспечении сверхвысоких скоростей охлаждения в некоторых материалах вязкость жидкого металла возрастает настолько, что центры кристаллизации вырасти не успевают и весь металл затвердевает как стеклообразная (аморфная) масса, в которой существует некоторый ближний порядок. При аморфизации скорость охлаждения должна быть максимальной для получения аморфного состояния, поэтому глубина оплавления не превышает 50 мкм.

Методы получения поверхностных по­крытий- легирование и наплавка - отличаются тем, что участок поверхности нагревается выше температуры плавления, в зону оплавления вводят легирующие ком­поненты, и в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла. При оплавлении поверхности материалов возникающие вследствие больших градиентов температуры интенсивные гидродинамические потоки ускоряют процессы массопереноса по всей зоне оплавления.

Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздей­ствием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке. Принципиальная схема нанесения покрытия испарением материалов при нагреве их лазерным лучом практически не отличается от электронно-лучевого нагрева. Разница заключается в том, что электроннолучевой нагрев должен осуществляться в вакууме, тогда как лазерный нагрев материалов можно проводить как в вакууме, так и в атмосфере защитных газов. Кинетика процесса испарения материалов под воздействием лазерного излучения в значительной степени определяется свойствами материала и параметрами излучения. В первую очередь на процесс испарения влияют теплопроводность, скрытая теплота испарения и коэффициент отражения лазерного излучения.

Ударное воздействиелазерного излучения может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования физико-химических процессов, например, для формированияр - n-переходов в полупроводнико­вых материалах. Современные лазеры позволяют получать гигантские световые импульсы с чрезвычайно малой длительностью (10^-8– 10^-10с), обеспечивающие плотность мощности излучения ~ 10¹⁰– 10¹²Вт/см²и более, т.е. время воздействия лазерного излучения в импульсе приближается к времени релаксации, вследствие чего энергия не успевает отводиться вглубь материала. Высокая концентрация энергии в микрообъеме поверхностного слоя приводит к переходу вещества в плазменное состояние. При расширении плазмы возникают очень большие, как при взрыве, давления и может образоваться ударная волна. Ударная волна может возникнуть в том случае, если время воздействия излучения меньше времени распространения ударной волны. В этом случае давление в поверхностном слое очень велико, а в глубине материала оно резко падает. Неравномерность распределения давления и является причиной возникновения ударной волны. Давление ударной волны можно определить по формуле:

, (12.17)

где G– параметр Грюнайзена (коэффициент пропорциональности между давлением и плотностью энергии);R– коэффициент отражения;q₀– плотность мощности лазерного излучения;δ_i– глубина проникновения импульса в моментi;p₀– начальное давление;р_n– максимальное давление, возникающее немедленно после действия импульса.

Кроме ударной волны при импульсном облучении материала может действовать механический импульс. Он возникает в результате быстрого перехода вещества в плазменное состояние и испарения вещества в окружающее пространство со средней скоростью

(12.18)

где М– средний молекулярный вес вещества;R – газовая постоянная;T_n– средняя температура вещества после облученияn-импульсами.

Тогда вследствие испарения на поверхность воздействует механический импульс. Его значение на единицу площади можно определить по формуле:

(12.19)

где х₀– толщина испаряющегося слоя;ρ– плотность материала.

Инициирование поверхностных хи­мических реакций на поверхности сплавов с по­мощью теплового воздействия лазерного излучения или с использованием плазменного облака вблизи поверх­ности преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специаль­ных соединений.

Кроме вышеприведенных классификаций методов поверхностной лазерной обработки имеются и другие классификации, например по типу физических процессов, возникающих при воздей­ствии излучения на поверхность материала: нагрев, оплавление, испарение, ударное воздействие. Тогда при нагреве возможны закалка, отжиг и отпуск, при оплавлении - аморфизация, наплавка, легирование, рафини­рование и улучшение качества, при испарении - вакуумно-лазерное напыление, окислительно-восстановительные процессы и др.