Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 3, стр. 70-73

ВВЕДЕНИЕ

В современном производстве актуальной задачей является повышение физико-механических характеристик изделий с покрытиями. Одна из самых важных характеристик покрытий – их адгезия, которая во многом определяется свойствами подложки [1]. В различных отраслях машиностроения и приборостроения, а также медицины давно и успешно применяют титан и его сплавы [2, 3]. Нередко на титановые изделия наносят покрытия, используя различные технологии для придания им особых физико-химических свойств, в том числе плазменное напыление [3, 4].

Для улучшения физико-механических характеристик плазменных покрытий на титановых изделиях предлагается проводить предварительную упрочняющую лазерную обработку поверхности с одновременным формированием металлокерамических оксидных покрытий требуемой морфологии [4–10]. Такая подготовка поверхности позволит исключить из технологического процесса воздушно-абразивную обработку электрокорундом, которая зачастую приводит к загрязнению поверхности, а также заменить плазменное напыление титанового подслоя.

Целью настоящей работы было исследование возможности применения лазерного излучения в комбинации с плазменным напылением для получения адгезионнопрочных покрытий на поверхности изделий различного назначения, позволяющего исключить из технологического процесса воздушно-абразивную обработку электрокорундом, а также электроплазменное напыление титанового подслоя. Таким образом, для улучшения физико-механических характеристик покрытий предлагается проводить предварительную упрочняющую лазерную обработку поверхности титана с одновременным формированием металлокерамических оксидных покрытий требуемой морфологии и последующим плазменным напылением функциональных покрытий [4, 5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на плоских образцах размером 10 × 10 × 2 мм из технически чистого титана марки ВТ1-00. Перед лазерной модификацией поверхности титана образцы очищали и обезжиривали с использованием установки ультразвуковой обработки “УЗУМИ-2” при частоте 18 кГц в этиловом спирте в течение 5 мин. Поверхность экспериментальных образцов подвергалась импульсной лазерной обработке на Nd : YAG-лазерном технологическом комплексе LRS-50 (длина волны 1.064 мкм) в воздушной среде. Режимы лазерной обработки сведены в табл. 1. Модификацию образцов осуществляли без оплавления и с оплавлением поверхности титановой основы.

Различные сочетания параметров технологического процесса лазерной обработки (плотности мощности и плотности энергии) приводят к различному энергетическому воздействию на поверхность титана. Измерение и контроль данных параметров осуществляли с помощью специального измерителя Laserstar Ophir. Плотность энергии лазерного излучения Q на поверхности образцов при различных вариантах сочетания режимов обработки изменялась от 0.2 × 10⁷ до 4 × 10⁷ Дж/м².

При лазерной обработке единичным импульсом зона термического влияния имеет форму круга, а для обработки заданной площади поверхности необходимо использовать перекрытие точек. С целью формирования однородного по свойствам покрытия и обеспечения равномерной глубины модификации поверхности титана был использован коэффициент перекрытия K_п = 0.5.

Морфологическую гетерогенность поверхностного слоя и его структуру исследовали методами оптической микроскопии (металлографические микроскопы “МИМ-8М” и “МБС-10”), растровой электронной микроскопии (РЭМ) (микроскоп MIRA II LMU), профилометрии при исследовании основных параметров шероховатости (профилограф-профилометр модели 170623). Изображения микроструктур анализировали с помощью комплекса АГПМ-6М. При исследовании толщины модифицированного слоя изготавливали микрошлифы в поперечном сечении.

Адгезионную прочность металлокерамических покрытий определяли методом испытания на сдвиг по ГОСТ 14759-69 на универсальной испытательной машине ИР 5082-100 при скорости перемещения рабочей траверсы 0.5 мм/мин. Для изучения адгезии образцы попарно склеивали покрытиями. В качестве клея использовали эпоксидную смолу ЭД-20 (ТУ 2252-003-62517430-01) с полиэтиленполиаминовым отвердителем, выдерживающую удельные нагрузки на разрыв 35–40 МПа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Морфологическая гетерогенность структуры покрытия зависит от режимов импульсной лазерной обработки и характеризуется в комплексе количеством элементов на поверхности в поле зрения микроскопа (выступами, углублениями и порами), их распределением по линейным размерам (среднему диаметру) и параметрами шероховатости микрорельефа (R_a, R_z, R_max, S_m; ГОСТ 2789-73).

При лазерном воздействии без оплавления поверхностного слоя параметры морфологической гетерогенности обусловливаются качеством предварительной подготовки поверхности перед процессом обработки, так как на обрабатываемой поверхности формируются тонкие металлокерамические пленки, которые не оказывают сами по себе влияния на морфологию (рис. 1а). При лазерной модификации с плотностью энергии более 10⁷ Дж/м² происходит оплавление поверхностного слоя, что позволяет улучшить основные комплексные характеристики морфологии поверхности: шероховатость, количество элементов на поверхности, их размер и распределение, пористость (рис. 1б). Использование плотности энергии свыше 4 × 10⁷ Дж/м² приводит к разрушению сформированных покрытий за счет образования трещин вследствие возникновения высоких внутренних напряжений (рис. 1в), а также, возможно, протекания процесса лазерной абляции.

Рис. 1.

Оптическая микроскопия модифицированных образцов, сформированных лазерным излучением в режиме: а – U = 300 В, τ = 8 мс, f = 1 Гц, N = 5, Q = 0.85 × 10⁷ Дж/м²; б – U = 400 В, τ = 8 мс, f = 2 Гц, N = 5, Q = 3.3 × 10⁷ Дж/м²; в – U = 450 В, τ = 8 мс, f = 1 Гц, N = 5, Q = 4.05 × 10⁷ Дж/м².

Для реализации функциональных характеристик покрытий при нанесении необходимо учитывать их прочность сцепления с основой, т.е. адгезионную прочность. При послойном нанесении покрытия предшествующий слой будет выступать в качестве основы. Самым простым способом повышения адгезии покрытий является формирование более развитой морфологии поверхности. Чем более развитой будет морфология поверхности, тем больше будет площадь удельной поверхности и, как следствие, будет больше центров механического зацепления последующего покрытия, в рассматриваемом случае расплавленных частиц кальцийфосфатов при электроплазменном напылении.

Морфология поверхностного слоя зависит от энергетических параметров лазерной модификации, что подтверждается результатами РЭМ (рис. 2). Так, при обработке поверхностного слоя, которая приводит к его оплавлению, формируется более развитая морфология (рис. 2а). В ходе лазерной обработки помимо энергетического воздействия оказывается еще гидродинамическое воздействие светового потока, что приводит к “вспениванию” поверхностного слоя. На рис. 2б отчетливо видны вертикальные риски, оставленные после абразивной предварительной подготовки поверхности перед лазерной обработкой. Это подтверждает влияние качества предварительной подготовки поверхностного слоя при формировании металлокерамических покрытий без оплавления.

Рис. 2.

РЭМ-изображения модифицированных образцов при различном энергетическом лазерном воздействии с плотностью энергии: а – 3.5 × 10⁷; б – 1 × 10⁷ Дж/м².

Увеличение длительности лазерного воздействия до 10 мс проводит к формированию на поверхностном слое большего количества выступов и углублений со средним размером 0.51–0.75 мкм (25 и 18% от общего числа соответственно). Повышение напряжения лампы накачки от 250 до 450 В приводит к увеличению энергетического воздействия на обрабатываемую поверхность, что оказывает влияние на морфологическую гетерогенность формируемых покрытий. При использовании напряжения свыше 350 В при обработке реализуются температурные поля на поверхности, которые приводят к оплавлению поверхностного слоя.

Установлено, что адгезия металлокерамических, морфологически гетерогенных оксидных покрытий, сформированных лазерным излучением на поверхности титана, составляет 25–32 МПа при максимальных энергетических воздействиях. Это характеризует необходимый уровень прочности сцепления покрытия с титановой основой.

В ходе сравнения параметров шероховатости покрытий, полученных электроплазменным напылением на образцы из компактного титана слоя порошкового титана (рис. 3а), и покрытий, сформированных при импульсной лазерной обработке (рис. 3б, табл. 2), можно сделать вывод, что при использовании последнего метода удается достичь аналогичных параметров шероховатости. При этом наблюдается и упрочняющий эффект, что позволит повысить физико-механические характеристики изделия в целом.

Рис. 3.

Профилограмма исследуемых образцов: а – из компактного титана со слоем порошкового титана; б – после импульсной лазерной обработки, плотность энергии Q = 3.5 × 10⁷ Дж/м².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный комплексный анализ морфологической гетерогенности модифицированных образцов показал зависимость морфологии поверхностного слоя титана от режимов технологического процесса модификации с помощью лазерного излучения. Варьирование технологических параметров процесса, таких как напряжения лампы накачки, длительности и частоты следования импульсов, а также числа импульсов в пятне облучения, позволяет регулировать тепловое воздействие, влияющее на формирование субмикрометровых показателей металлокерамических пленок и покрытий. Получена возможность изменять морфологию поверхности под конкретно поставленную задачу.

Изменение энергетического воздействия при лазерной обработке поверхности титана позволяет регулировать основные параметры шероховатости поверхности в широком диапазоне значений: R_a от 0.10 до 3.95 мкм, R_z от 0.46 до 21.2 мкм, R_max от 0.52 до 29.01 мкм и S_m от 8.5 до 91 мкм. Также существует возможность регулировать поверхностную пористость металлокерамических покрытий, которая варьируется от 20 до 61% со средним размером пор порядка 200 мкм. Сформированные покрытия обладают высокой адгезионной прочностью относительно титановой основы 25–32 МПа.

Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что лазерная модификация поверхности титана позволяет получать как адгезионнопрочные металлокерамические покрытия с определенной пористостью, так и плазменные покрытия на основе различных порошковых материалов без применения воздушно-абразивной обработки и нанесения промежуточных слоев.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследование в части разработки технологии плазменной обработки поверхности титана выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ (стипендии для молодых ученых и аспирантов № СП-5291.2018.4, № СП-5048.2018.4; грант № МД-1403.2017.8). Исследование в части проведения экспериментальных исследований шероховатости поверхности и оптической микроскопии поверхности после лазерной обработки выполнено при поддержке РФФИ (проект № 18-38-00677 мол_а).