Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 11, стр. 59-63

ВВЕДЕНИЕ

Металлокерамический бериллий – материал, обладающий уникальным сочетанием физических и механических свойств, среди которых низкая плотность и высокий модуль упругости. Благодаря наивысшей удельной жесткости среди металлов бериллий применяется в конструкциях оптико-электронных приборов, в частности, при создании зеркал космического базирования. Применение бериллия в корпусах зеркал дает следующие преимущества: повышенную размерную стабильность, значительное снижение массы, уменьшение инерции при поворотах зеркал, снижение нагрузок на узлы крепления зеркал и приводы вращения. Однако оптическая обработка бериллия – сложный технологический процесс, обусловленный химическими, механическими и микроструктурными особенностями технического бериллия, получаемого методами порошковой металлургии. Поэтому приходится прибегать к нанесению покрытия, после полировки которого возможно получение высококачественной оптической поверхности.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

К массогабаритным и эксплуатационным характеристикам современных оптико-электронных систем космического базирования предъявляются высочайшие требования, а также к точности и геометрической стабильности материалов. Традиционными материалами несущих элементов являются алюминиевые сплавы, титан, а также бериллий, который используют в данной области из-за уникального сочетания физико-механических характеристик, в первую очередь, очень высокого модуля упругости и низкой плотности. К материалам, применяемым в производстве оптических поверхностей зеркал, относятся стекло, плавленый кварц и ситалл. Основные физико-механические свойства бериллия и материалов для оптического приборостроения приведены в табл. 1.

Хрупкость ситалла и плавленого кварца, а также сложность механической обработки этих материалов ограничивают их применение в конструкциях сложных крупногабаритных деталей. Низкие значения температурного коэффициента линейного расширения ситалла и кварца должны, на первый взгляд, обеспечивать максимальную температурную стабильность, но она снижается из-за крайне низкой теплопроводности этих материалов, что оказывает негативный эффект при увеличении габаритов оптических элементов [1–5]. Низкий коэффициент температуропроводности этих материалов приводит к очень большим временам установления рабочих режимов, например, для охлаждаемых компонентов.

По группе параметров, определяющих температурную стабильность, лидерами являются такие материалы, как кремний и карбид кремния (SiC), однако их применение ограничивается крайне низкой технологичностью. Бериллий обладает достаточно высокой геометрической стабильностью и хорошими технологическими характеристиками. Главным же преимуществом бериллия является уникальное сочетание низкой плотности и высокой жесткости, что становится решающим при применении в крупногабаритных конструкциях. Кроме этого, бериллий – хороший конструкционный материал. Из него можно изготавливать не только зеркальные элементы, но и узлы, избегая проблемы температурной компенсации. Таким образом, на основе приведенных данных можно сделать вывод о привлекательности применения бериллия в оптическом приборостроении, особенно в системах космического базирования.

В настоящее время постоянно ведутся работы по совершенствованию технологий получения бериллиевой оптики. Достаточно большой объем исследовательских работ проделан в направлении оптической обработки непосредственно бериллиевых поверхностей, включая разработку специальных сортов материала [6–9]. В России были изготовлены экспериментальные образцы облегченных зеркал для перспективных образцов оптико-электронной аппаратуры инфракрасного диапазона (длины волн более 2 мкм). К сожалению, мировой опыт оптической обработки бериллия для коротковолновых диапазонов демонстрирует ограниченную применимость подобного подхода. Причиной этого являются физико-химические и структурные особенности металлокерамического бериллия, существенно осложняющие процессы его прецизионной полировки с параметрами шероховатости (R_q) ниже 5–6 нм.

Одним из направлений создания прецизионных зеркал из новых материалов является нанесение на корпуса зеркал термосогласованных по уровню температурного коэффициента линейного расширения конструкционных покрытий, предназначенных для дальнейшей оптической обработки [8]. Покрытие на основе никеля перспективно для получения поверхности с необходимыми оптическими свойствами. Никелевое покрытие наносится двумя методами – гальваническим и химическим. Они различаются в основном скоростью осаждения и структурой покрытия. В гальваническом методе скорость осаждения высокая, а структура покрытия металлическая. Химическим методом возможно получить как кристаллическую, так и аморфную структуру, определяющим фактором является количество фосфора. При массовой доле фосфора более 8.5% структура аморфная [10].

В основу процесса химического никелирования положена реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия. В результате образуется блестящее или полублестящее никелевое покрытие, представляющее собой аморфный сплав никеля и фосфора. Термическая обработка детали с никелевым покрытием (200°С в течение 1 ч или более) в значительной степени увеличивает сцепление покрытия с основным металлом [11]. Одновременно с этим растет и твердость покрытия. Важным свойством химически осажденного никеля является близость его коэффициента линейного расширения к коэффициенту расширения бериллия. Кроме этого, значение температурного коэффициента линейного расширения никелевого покрытия поддается прецизионному регулированию за счет параметров процесса осаждения, т.е. содержания фосфора.

Возможность получения аморфной структуры химически осажденного никелевого покрытия, его высокая химическая стойкость и твердость (5–6 ГПа) позволяют эффективно осуществлять оптическую полировку.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве материала подложки выбран бериллий марки ТГП, технический спеченный, с суммарным содержанием бериллия 97.8 мас. %. Был изготовлен образец диаметром 25 мм, толщиной 5 мм. Перед нанесением покрытия проводили подготовку поверхности образца химическим травлением в водном растворе 20% серной кислоты. Никелирование проводили в электролите следующего состава: NiSO₄ – 20; NaH₂PO₂ – 20; комплексообразующая добавка – 10; буферизующая добавка – 10 г/л. Температура никелирования 85–87°С, pH раствора 4.0–4.5. Продолжительность процесса никелирования составила 5 ч.

Полученный образец с односторонним покрытием механически полировали по традиционной технологии. В качестве полирующего материала использовали пекоканифольную смолу. Абразивную суспензию готовили на основе 1% раствора щавелевой кислоты с добавлением микропорошков синтетического алмаза. Последовательно применяли микропорошки фракции 10/7, 5/3, 3/2 и 1/0 мкм. Дополнительную доводку на синтетических полирующих подложках не проводили [12].

Далее образец разрезали электроискровым методом на две части (части 1.1 и 1.2). Образец 1.1 исследовали на спектрометре. Определили фазовый и элементный состав покрытия, затем в микроскопе Neophot 21 определили толщину покрытия. Образец 1.2 отожгли в вакууме при температуре 450 ± 10°С, определили фазовый состав для сравнения структуры с образцом без отжига.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование элементного и фазового состава образцов проводили на спектрометре ARL 9900 Workstation. В приборе реализована комбинированная конструкция “рентгенофлуоресцентный спектрометр с верхним расположением трубки и θ–θ-дифрактометр”. В качестве источника излучения для флуоресцентного анализа в данном приборе применяется вертикально расположенная над образцом рентгеновская трубка мощностью 3600 Вт с Rh анодом. Элементный анализ проводили с помощью программного пакета UniQuant.

Дифракционная часть прибора включает в себя расположенный в том же аналитическом пространстве θ–θ-гониометр. В качестве источника излучения для регистрации дифрактограмм в приборе применяется узкофокусная рентгеновская трубка мощностью 1800 Вт c Co анодом. Дифрактограммы регистрировали в диапазоне углов 2θ 8°–80°. Качественный фазовый анализ выполняли, используя базу данных ICDD PDF-2 и программу Crystallographica Search-Match.

Исследование структуры полученного покрытия

Образец 1.1. На рис. 1 представлена дифрактограмма образца 1.1. бериллия с нанесенным никелевым покрытием. По данным качественного рентгенофазового анализа в образце присутствует частично закристаллизованный металлический никель, о котором можно судить по полуширине и интенсивности рефлекса 111 никеля (2θ = 52.18° для CoK_α-излучения). В основном никель находится в составе аморфной фазы.

Рис. 1.

Дифрактограмма образца 1.1 с никелевым покрытием.

Исследование структуры полученного покрытия.

Образец 1.2. Для исследования температуры перехода покрытия из аморфоного состояния в кристаллическое образец 1.2 отжигали в вакууме в течение 1 ч при температуре 450 ± 10°С. Дифрактограмма отожженного образца показана на рис. 2. В результате качественного фазового анализа в бериллиевом образце 1.2 с отожженным никелевым покрытием выявлено несколько кристаллических фаз (табл. 2).

Рис. 2.

Дифрактограмма образца 1.2 с никелевым покрытием после отжига при 450°С, фазы: 1 – Ni; 2 – Ni₃P; 3 – FeNi.

Исследование химического состава покрытия

Рентгенофлуоресцентный анализ покрытия образца 1.1 проводили методом фундаментальных параметров на спектрометре ARL 9900. Элементный состав покрытия следующий: Ni – 87.66, P – 11.64 мас. %, остальные примеси – 0.7 мас. %.

Измерение толщины покрытия

Толщину покрытия измеряли в оптическом металлографическом микроскопе Neophot 21, предназначенном для исследования микроструктуры материалов. Максимальное увеличение – 1000×, диапазон вращения столика от 0° до 360°. На рис. 3 и 4 представлены изображения полированной и неполированной сторон образца 1.1 с никелевым покрытием. Толщину покрытия измеряли при помощи аппаратно-программного комплекса изображений NEXSYS Image Expert Pro.

Рис. 3.

Изображение неполированного покрытия.

Рис. 4.

Изображение полированного покрытия.

Толщину покрытия исследовали по всей длине образца (25 мм), измерения вели в десяти точках. Толщина никелевого покрытия, нанесенного химическим методом, в среднем составила 101 ± ± 2.2 мкм. В результате полировки поверхность была доведена до показателей шероховатости R_a = 1.5 нм. Толщина покрытия после полировки была равна 58 ± 1.9 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опробован химический способ нанесения аморфного никелевого покрытия (Ni – 87.66, P – 11.64 мас. %) на бериллиевую подложку. Рентгенодифракционным методом подтверждена аморфная структура полученного покрытия.

Аморфный никель обладает необходимыми физико-механическими свойствами и удовлетворяет требованиям для получения высококачественной оптической поверхности способами и методами механической полировки. В работе достигнута шероховатость поверхности не более R_a = 1.5 нм. Эта поверхность может быть использована для работы в ультрафиолетовой и видимой областях электромагнитного спектра.