способ формирования наноструктурированных пористых слоев

Формула изобретения

Способ формирования наноструктурированных пористых слоев, заключающийся в формировании субмикропористого поверхностного слоя путем энергетического воздействия на листовые или трубчатые заготовки из сплавов типа твердый раствор, отличающийся тем, что формирование наноразмерной пористой структуры осуществляют последующей пластической деформацией заготовок с изменением характерного размера и глубины пор приложением растягивающих напряжений при растяжении или изгибе в пределах ₁< <S_B, где ₁ - предел текучести материала _Т либо условный предел текучести _0,2 для материалов, не имеющих площадки текучести, - напряжение при деформации, S_B - истинное напряжение начала локальной деформации, либо приложением сжимающих напряжений при сжатии или изгибе в пределах , где - условный предел текучести при сжатии, - напряжение разрушения при сжатии; при температурах, не превышающих температуру порога рекристаллизации, причем формирование наноразмерной пористой структуры проводится как с одной, так и с обеих сторон заготовок в зависимости от их состояния до деформации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к формированию наноструктурированных пористых слоев твердокристаллических материалов воздействием энергетических потоков и может применяться при получении наноструктурированных поверхностных слоев в сплавах типа твердый раствор, а также сквозных нанопор в металлических фольгах и пленках.

Известен способ нанесения пленочного покрытия, заключающийся в подаче рабочего газа в вакуумную камеру, импульсной генерации потока плазмы и пучка высокоэнергетических ионов и поочередном их воздействии на подложку через определенный временной промежуток (Патент РФ № 2339735 С23С 14/35, С23С 14/48, В82В 3/00 (2006.01), опубл. 27.11.2008, Бюл. № 33).

Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные необходимостью комбинированного использования плазменных, ионных и вакуумных технологий, при реализации которых должны приниматься меры для подавления высоковольтного пробоя ускоряющих промежутков, невозможностью получения пористых покрытий, создания сквозной пористости при компактной подложке, необходимостью обеспечения адгезии между покрытием и подложкой, а также использованием дорогостоящего технологического оборудования (вакуумных камер).

Наиболее близким техническим решением является способ получения изделий из титановых сплавов, заключающийся в изготовлении заготовки, предварительно насыщаемой водородом методом термодиффузии, отожженной в вакууме и отполированной, и ее последующем вакуумном ионно-плазменном азотировании (Патент РФ № 2338811 С23С 8/36, С23С 8/02, A61F 2/02, В82В 3/00 (2006.01). Опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32).

Недостатками известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные применимостью только для титановых сплавов, невозможностью получения пористых слоев, сложностью получения заготовок, связанной с необходимостью насыщения заготовки водородом и проведения последующего отжига и полировки, а также с необходимостью использования вакуумных камер при отжиге и ионно-плазменном азотировании.

В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей способа формирования наноструктурированных поверхностных слоев за счет активизации воздействием энергетическими потоками процессов сублимации одного из компонентов сплава типа твердый раствор с последующей деформацией заготовки, а также за счет исключения операций насыщения заготовки водородом, полировки и ионно-плазменного азотирования.

Данная задача решается за счет того, что в способе формирования наноструктурированных пористых слоев, заключающемся в формировании субмикропористого поверхностного слоя путем энергетического воздействия на листовые или трубчатые заготовки из сплавов типа твердый раствор, согласно изобретению формирование наноразмерной пористой структуры осуществляют последующей пластической деформацией заготовок с изменением характерного размера и глубины пор приложением растягивающих напряжений при растяжении или изгибе в пределах ₁< <S_B, где ₁ - предел текучести материала _T либо условный предел текучести _0,2 для материалов, не имеющих площадки текучести, - напряжение при деформации, S_B - истинное напряжение начала локальной деформации; либо приложением сжимающих напряжений при сжатии или изгибе в пределах , где - условный предел текучести при сжатии, - напряжение разрушения при сжатии; при температурах, не превышающих температуру порога рекристаллизации, причем формирование наноразмерной пористой структуры проводится как с одной, так и с обеих сторон заготовок в зависимости от их состояния до деформации.

В случае листовых заготовок формирование наноразмерной пористой структуры проводится как с одной, так и с обеих сторон заготовок в зависимости от их состояния до деформации. В случае трубчатых заготовок - на внешней и/или на внутренней поверхностях, подвергаемых воздействию сжимающих и растягивающих напряжений. При наличии пористой структуры на обеих поверхностях заготовки, представляющей собой фольгу или пленку, и выполнении условия 2b₁>h, где b₁ - глубина поры после деформации, h - толщина материала, происходит образование сквозных пор.

На фиг.1,а представлены: структура субмикропористой поверхности образца из сплава типа твердый раствор Л63 после лазерного воздействия; микроструктура образца из сплава Л63 (×500), сформировавшаяся в процессе сублимации при отжиге в вакууме; на фиг.1,б - схематическое изображение пор различной формы, образующихся на поверхности образца и в приповерхностном слое. Формирование субмикропористого поверхностного слоя проводилось либо путем длительного (более 50 часов) отжига в вакууме при температуре 740±15 К, либо продолжительным и интенсивным лазерным воздействием мощностью до 500 Вт. После лазерного воздействия на поверхности латуни образуется пористый слой меди с открытыми (коническими и сложной формы), а также глухими порами. Характерный размер а открытых пор на поверхности достигает 200 нм, а глубина b - менее 2-10 мкм. Глухие поры имеют характерный размер с до 120 нм.

На фиг.2 представлена схема изменения параметров пор при деформациях: при растяжении - фиг.2,а, при сжатии - фиг.2,б, при изгибе - фиг.2,в.

Предполагаемый способ формирования наноструктурированных поверхностных покрытий заключается в следующем. После воздействия энергетическими потоками (нагрев при отжиге в печи, лазерное воздействие) на листовые или трубчатые заготовки из сплава типа твердый раствор они подвергаются пластической деформации с целью регулирования размеров пор. При этом исходная пористая структура формируется воздействием энергетическими потоками на одной либо на обеих сторонах листового материала, а на трубчатых заготовках - с внешней и/или с внутренней стороны. Последующую пластическую деформацию можно проводить приложением к заготовке растягивающих или сжимающих напряжений при растяжении (сжатии) или изгибе.

При растяжении пластическая деформация проводится в области растягивающих напряжений ₁< <S_B, где ₁ - предел текучести материала _T либо условный предел текучести _0,2 для материалов, не имеющих площадки текучести (например, медные и алюминиевые сплавы), - напряжение при деформации, S_B - истинное напряжение сопротивления образованию шейки, определяемое формулой S_B=P_B/F_B, P_B - усилие образования шейки, F_B - площадь при усилии образования шейки. Превышение физического _T либо условного предела текучести _0,2 необходимо для осуществления пластической деформации. При превышении истинного напряжения сопротивления образованию шейки заканчивается равномерная пластическая деформация и начинается сосредоточенная. Если исходный образец представляет собой фольгу или пленку, то при наличии пористой структуры на обеих сторонах заготовки могут образовываться сквозные поры при выполнении условия 2b₁>h, где b₁ - глубина поры после деформации, h - толщина материала.

При сжатии также осуществляется равномерная пластическая деформация в области сжимающих напряжений , где - условный предел текучести при сжатии, - напряжение разрушения при сжатии. Такой способ регулирования размеров пор может использоваться для листовых заготовок, имеющих пористую поверхность с одной или с обеих сторон, и для трубчатых заготовок с внешней и/или с внутренней пористой поверхностью. Для цилиндрических образцов сжатие проводится при осаживании в оправке, предназначенной для обеспечения устойчивости.

При изгибе листовых и трубчатых заготовок удовлетворительное регулирование размеров пор может достигаться как со стороны образца, подверженной воздействию напряжений одного знака (растягивающих или сжимающих), так и на обеих сторонах при выполнении условий, необходимых для протекания равномерной пластической деформации.

Пластическая деформация должна осуществляться при температурах, не превышающих температуру порога рекристаллизации, которая для чистых металлов составляет 0,4 Т_пл, Т _пл - температура плавления. В противном случае процессы рекристаллизации будут приводить к залечиванию пор.

В лаборатории мощных лазеров Научно-образовательного центра лазерных систем и технологий и на кафедре технологии металлов и авиационного материаловедения СГАУ проведены экспериментальные исследования по формированию наноструктурированных пористых покрытий при воздействии энергетическими потоками на образцы из сплава Л63 (двухфазная латунь) и последующей их деформации.

Исследовались плоские заготовки с размерами 70×20×2 мм. Для исключения влияния загрязнений, обусловленных технологическим процессом изготовления (прокатка), до проведения экспериментов с поверхности образцов стравливался слой толщиной 0,2 мм.

Осуществлялось энергетическое воздействие двух видов: лазерным излучением и отжигом в вакууме. Формирование субмикропористого поверхностного слоя проводилось путем отжига в печи СШВЛ-1600 в вакууме при температуре 740±15 К в течение 50 55 часов.

Для осуществления лазерного воздействия использовался газовый СО₂-лазер ROFIN DC 010, работающий в квазинепрерывном режиме. Частота следования импульсов составляла 5 кГц, диаметр пучка с гауссовским распределением интенсивности был равен 20 мм. В процессе воздействия наблюдалось изменение окраски поверхности материала. Она приобретала красный цвет, что наблюдалось визуально. Нагрев образцов проводился в течение различных интервалов времени. При мощности излучения 500 Вт время выдержки образцов до покраснения было минимальным и составляло 5-15 минут. При мощности излучения 200 Вт изменение цвета поверхности происходило после 35-40 минут.

После лазерного воздействия наблюдалось уменьшение массы образцов до 1,8 2,5%, что регистрировалось при взвешивании на аналитических весах WA-31 с точностью 0,05 мг.

Исследования поверхностного слоя латуни после лазерного воздействия проводились с использованием оптических микроскопов Neophot-30, Stemi-1000 и методом растровой электронной микроскопии на установке Philips 525 при ускоряющем напряжении 25 кВ. Анализ элементного состава выполнялся в интегральном режиме, при котором глубина анализируемого металла превышает величину нескольких десятков микрометров.

Металлографическими исследованиями установлено, что воздействие энергетических потоков на твердокристаллический материал вызывает изменение рельефа поверхности. В зависимости от длительности выдержки в вакууме при отжиге и от величины плотности мощности в пятне нагрева, а также длительности лазерного воздействия эти изменения проявляются как в развитии, так и в сглаживании рельефа. После воздействия энергетическими потоками на поверхности образца формируется пористая структура с порами в виде каналов, сужающихся к основанию, имеющими характерный размер на поверхности порядка 1 мкм и глубину 50-200 мкм, равномерно распределенными по площади.

В результате анализа элементного состава образцов до осуществления энергетического воздействия с помощью растрового электронного микроскопа Philips 525, снабженного приставкой энергодисперсионного элементного анализа, установлено, что они содержали 60,5-62,0 вес.% Cu; 37,5-39,2 вес.% Zn и 0,3-0,5 вес.% примесей, что соответствует ГОСТ 2208-07. Анализ элементного состава поверхности образцов после энергетического воздействия в пересчете на компактный материал показал увеличение относительного содержания меди до 70,7-73,3 вес.%, снижение доли цинка до 26,2-29,0 вес.% и наличие 0,3-0,5 вес.% примесей. Проведенный анализ подтверждает, что после осуществления энергетического воздействия поверхность образцов характеризуется более низким содержанием Zn, чем до обработки. Это подтверждает протекание процессов сублимации цинка в результате энергетического воздействия при указанных параметрах.

Испытания на растяжение образцов проводились на разрывной машине Tiratest-10000 при скорости растяжения 1 мм/мин при температуре 300 К с записью диаграммы растяжения, по которой при разрыве первого образца определялось напряжение сопротивления образованию шейки S _B. Последующие образцы растягивались до напряжения 0,8 S_B.

В результате металлографических и электронно-микроскопических исследований было установлено изменение характерного размера микропор и субмикропор на поверхности на 10-25%, глубина пор также увеличивалась на 10-25%.