Выполнена модификация поверхности титана импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности.

Дата публикации: 28/10/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

С помощью растровой электронной микроскопии исследовано влияние фемтосекундного излучения ИК-лазера (λ = 744 нм, t ≈ 120 фс, Е ≤ мДж) на топографию поверхности технически чистого Тi в субмикрокристаллическом состоянии.
Лазерное облучение приводит к формированию нанорешетки из чередующих выступов (полосок) и впадин (канавок).
После обработки поверхности титана под слоем воды на его поверхности образуются частицы кубической формы, состоящие из множества плотно прилегающих друг к другу прямоугольных пластин.
Бесконтактная обработка твердых тел импульсным лазерным излучением позволяет изменять механические, электрофизические и физико-химические свойства, как их поверхности, так и всего обрабатываемого материала в целом. Одним из эффективных методов повышения механических свойств металлов и сплавов является формирование в них субмикрокристаллического (СМК) и/или наноструктурного (НС) состояния путем пластической деформации.
Однако такое состояние является, как правило, метастабильным, и в результате процессов возврата и рекристаллизации, протекающих при определенных температурах, свойства материала снижаются до уровня, характерного для материалов с крупнозернистой структурой. В связи с этим представляется актуальным развитие низкотемпературных методов обработки СМК и НС материалов. К таким методам относится фемтосекундная обработка с использованием мощных лазерных импульсов, при которой основной материал, подвергающийся обработке, остается'"холодным", в том числе и за счет использования охлаждающей среды, прозрачной для лазерного излучения. Кроме того, известно, что в результате такой обработки на поверхности материала может формироваться упорядоченный рельеф, а структура поверхностного слоя при этом может состоять из элементов с характерным размером намного меньше 1 мкм.
В работе Голосова Е.В. (БелГУ) и др. представлены экспериментальные результаты исследования топографии поверхности Тi после обработки лазерными импульсами фемтосекундной длительности.
В качествё объекта исследования был выбран титан марки ВТ1-0 производства Центра наноструктурных материалов и нанотехнологий БелГУ в СМК состоянии со средним размером зерна 0,25 мкм, формирующемся в результате пластической деформации путем сочетания радиальносдвиговой, продольной и винтовой прокатки.
Выбор титана обусловлен не только его широким применением в промышленности в качестве конструкционного материала, но и в медицине как имплантата.
Использовались образцы в виде цилиндрической мишени диаметром 8 мм и толщиной 4 мм, обрабатываемая поверхность которых предварительно подвергалась механической полировке на установке LaboPol-5 (Struers).
Облучение проводилось ИК титан-сапфировым лазером (длина волны 744 нм, ширина полосы генерации на полувысоте -10 нм, длительность импульсов на полувысоте -100 фс, энергия в импульсе до 8 мДж), излучение которого фокусировалось на обрабатываемой поверхности в пятно диаметром 0,5 мм. Для предотвращения заметной деградации распределения плотности энергии на поверхности мишени, связанной с самофокусировкой луча лазера на воздухе (критическая мощность самофокусировки W_cr ≈ 3 ГВт), и сопутствующих ей эффектов хроматической эмиссии, филаментации и рассеяния лазерного луча в плазме, облучение поверхности мишени проводилось в режиме сканирования при небольших энергиях лазерного излучения (< 0,5 мДж, пиковая мощность W < 4 ГВт). Сканирование осуществлялось программируемым перемещением подвижного держателя с закрепленной титановой мишенью со скоростью от 0,6 до 20 мкм/с.
Облучение мишени производилось на воздухе к через слой дистиллированной воды толщиной 1,5 мм.
Исследования структуры поверхности после облучения проводили на растровом электронном микроскопе Quantа 600 FEG с полевой эмиссией.
При облучении Тi на воздухе с низкими плотностями энергии лазерного излучения (F ≈ 17 мДж/см², число импульсов N ≈ 500) на его плоской поверхности в области воздействия лазерного пятна формируются квазипериодические (средний период ~ 0,4 мкм), хорошо выраженные узкие (∆ ≤ 0,1 мкм) бороздки.
При более высокой плотности энергии (до F ≈ 25 мДж/см2) и том же числе импульсов N на поверхности мишени формируется структура в виде нанорешетки, на которой видны "хлопья" белого цвета, представляющие собой, скорее всего, окисленные продукты абляции титана.
Также наблюдаются фрагменты в виде капель, располагающиеся на поверхности бороздок, образование которых свидетельствует о повышении в период действия лазерного импульса температуры поверхности металла до значений, обеспечивающих сверхкритический термический, а не докритический откольный (spallation) механизм абляции. Скорость охлаждения кристаллизующихся на поверхности бороздок сфер составляет более 108 К/с. Элементы нанорешетки (полоски) практически параллельны друг другу на всей площади поверхности Тi, подвергавшейся воздействию лазерного излучения.
Оплавление поверхности бороздки и образование на ней рельефа происходит, по-видимому, уже через несколько пикосекунд после прекращения действия фемтосекундного лазерного импульса. Поэтому при достаточно мощном (F ≈ 350 мДж/см², N ≈ 500) лазерном воздействии вершины бороздок на поверхности титана приобретают ступенчатый вид, и практически все кромки ступеней имеют округлую форму. Между бороздками в результате плавления и охлаждения жидкого титана формируются хаотично расположенные перемычки цилиндрической формы.
Размер поперечного сечения перемычек составляет 20-50 нм. В некоторых перемычках наблюдаются "встроенные" застывшие капли титана, которые могут располагаться в любом месте перемычки.
Следует отметить, что при любых использовавшихся режимах лазерного облучения на воздухе частицы размером более нескольких нанометров, образование которых можно было бы связать с процессами абляции, в зоне воздействия лазерного луча (то есть на поверхности бороздок) не обнаруживались. Возможно, что они могут находиться во впадинах между бороздками.
При мощности излучения F ≥ 350 мДж/см² и числе импульсов N ≈ 500 плотность энергии в поверхностном слое достаточна для инициирования процесса рекристаллизации СМК структуры титана.
Так как поверхность бороздок, образовавшихся после облучения, гладкая, и на ней даже при увеличении х 250 000 незаметны фрагменты рельефа с резкими перепадами высоты, на микрофотографиях не проявляются ни зёренная структура, которая, казалось бы, должна была сформироваться при охлаждении жидкой фазы, ни ростовые эффекты. Таким образом, можно считать, что размер зерен на поверхности выступов и впадин формирующегося при лазерном облучении рельефа не превышает нескольких нанометров. Более точные данные о структуре поверхностного слоя облученного лазером титана можно получить с помощью детального исследования методами просвечивающей электронной микроскопии прецизионно приготовленного поперечного среза мишени.
Следует учитывать также, что обработка титана ультра короткими импульсами лазерного излучения, при которых скорость нагрева и охлаждения поверхностного слоя мишени будет достигать экстремально высоких значений, с неизбежностью приведет к образованию в нем значительного числа дефектов структуры, распределение которых по высоте бороздок поверхностного рельефа может быть существенно неравномерным.
Интересно отметить, что в ряде случаев на облученной лазерными импульсами через слой воды поверхности титана были обнаружены частицы кубической формы, каждая из которых состоит из десяти и более прямоугольных пластинок, плотно прилегающих друг к другу.
Однако очень малое количество этих частиц не позволило определить тип их кристаллической структуры и элементный состав.
Таким образом, исследования с помощью растровой электронной микроскопии структуры поверхности титана после облучения лазерными импульсами фемтосекундной длительности показали формирование на ней упорядоченного рельефа, состоящего из набора параллельных бороздок и впадин, образующих нанорешетку.
После облучения Тi через слой воды на его поверхности обнаружены частицы кубической формы, состоящие из множества плотно прилегающих друг к другу прямоугольных пластин.

Источник: «Физика и химия обработки материалов», 2010, №2, с.10-14

Статьи по теме: