Лазерное управление микрорельефом и физико-химическими свойствами поверхности

Управление микрорельефом и физико-химическими свойствами поверхности металлов

Проблема управления качеством поверхности, под которым в настоящее время подразумевают не только требуемую шероховатость поверхности, но и совокупность таких ее свойств, как надлежащая 3-х мерная геометрия (геометрическая структура поверхности), химический состав, физико-механическое состояние, определяемое дефектами поверхностного слоя и механическими напряжениями, относится к числу фундаментальных.

Совершенно новые возможности управления морфологией поверхности и ее структурно-фазовым составом открываются при использовании лазерного излучения. Такое воздействие позволяет одновременно создавать как микрорельеф и наноразмерные структуры на поверхности, так и направленно менять ее состав.

В рамках международной научной лаборатории "лазерных микро- и нанотехнологий" активно ведутся работы по актуальной в современных исследованиях тематике - модификации свойств поверхности металлов, основными направлениями которой являются: цветная лазерная маркировка металлов, структурирование поверхности имплантов для улучшения их биосовместимости, изменение трибологических свойств поверхности, лазерная 3D-гравировка, декоративная маркировка ювелирных изделий, а также изменение оптических свойств поверхности посредством формирования поверхностных периодических структур в качестве метода защиты продукции от фальсификаций. Данные направления являются актуальными в различных прикладных сферах.

При проведении работ используются уже известные и разрабатываются новые способы управления микрогеометрией и химическим составом поверхности при взаимодействии лазерного излучения с твердым телом, среди которых можно выделить

-          локальное испарение (абляция) материала, позволяющее реализовывать контроль шероховатости на основе испарения, т.е. удаления материала с поверхности, возможно осуществление лазерной полировки;

-          модификация геометрии поверхности на основе нестабильности расплавов во время удаления лишнего материала лазерным излучением;

-          микроструктурирование поверхности на основе создания поверхностных периодических структур (SPS);

-          микроструктурирование на основе LASER-LIGA;

-          выглаживание поверхности на основе лазерного нагрева до точки плавления и дальнейших явлений в расплавленной фазе;

-          лазерно-индуцированное окисление и др.

Перечисленные способы реализуются как на лабораторном оборудовании (пико- и фемтосекундные лазеры), так и на промышленно-выпускаемом прецизионном комплексе на базе волоконного импульсного иттербиевого лазера «Минимаркер-2». Длина волны лазерного излучателя составляет λ = 1.064 мкм.

    

Рисунок 1. РЭМ-снимки поверхности технического титана ВТ1-0 при различных режимах лазерной обработки

 

Рисунок 2. Фотографии поверхности (слева) стали AISI 304 с рисунком, состоящим из SPS, сформированных при воздействии излучения импульсного иттербиевого лазера. Воздействие при определенном режиме приводит к окрашиванию поверхности, при этом цвет поверхности меняется при разных углах наблюдения. РЭМ-изображение (справа) обработанной поверхности.

 

Рисунок 3. Образцы микрорельефа

Г.В. Одинцова, Ю.Ю. Карлагина