Лазерное формирование микрогеометрии поверхности металлов импульсами наносекундной длительности Васильев Олег Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Аналитический обзор научно-технической литературы по проблеме лазерного управления микрогеометрией поверхности и постановка задачи исследования 19

1.1 Обзор литературы по проблеме лазерного управления микрогеометрией поверхности (общие положения) 19

1.2 Существующие подходы к описанию шероховатости поверхности 20

1.3 Основные методы микроструктурирования поверхности 23

1.3.1 Механические методы 24

1.3.2 Химические методы 29

1.3.3 Методы микроструктурирования поверхности концентрированными потоками энергии 33

1.4 Механизмы микро- и наноструктурирования поверхности металлов на основе лазерного воздействия 34

1.5 Выводы 49

Глава 2. Разработка и исследование принципов формирования геометрического микрорельефа на поверхности металлов 52

2.1 Анализ эффективности лазерных методов и систем управления микрогеометрией поверхности 52

2.2 Экспериментальное лазерное оборудование, его конструкция и основные параметры 55

2.3 Режимы обработки металлов лазером с наносекундной длительностью импульсов 61

2.4 Технология микроструктурирования поверхности металла излучением наносекнудного волоконного лазера 65

2.5 Выводы 71

Глава 3. Лазерное формирование базовых типов поверхностных микроструктур 74

3.1 Анализ базовых типов поверхностных регулярных структур и возможностей их реализации 74

3.2 Формирование микрорельефа на поверхности стали и измерение его геометрических характеристик: экспериментально-технологические результаты 79

3.2.1 Связь геометрических параметров рельефа поверхности с ее способностью к электронной эмиссии 83

3.2.2 Связь геометрических параметров рельефа поверхности с ее оптическими свойствами 85

3.2.3 Основные виды полученных трибологических рельефов 88

3.2.4 Виды микрорельефов декоративно-прикладного применения... 93

3.3 Расчёт погрешности шероховатости Ra и Rz для этапа «полировки» поверхности металла 95

3.4 Выводы 102

Глава 4. Исследование функциональных свойств поверхностей металла после обработки лазерным излучением 104

4.1 Гидрофобные и гидрофильные свойства поверхности металла 104

4.2 Связь геометрических параметров микрорельефа со смачиваемостью поверхности 108

4.2.1 Лазерное формирование гидрофобной поверхности 111

4.2.2 Измерение гидрофобности поверхности металла методом замера угла смачивания 113

4.2.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение 115

4.3 Метод лазерного повышения коррозионной стойкости металлов 119

4.3.1 Лазерное оксидирование поверхности металлов для защиты от коррозии 120

4.3.2 Формирование оксидной плёнки и проверка коррозионной стойкости металла 121

4.3.3 Воздействие расфокусированным лазерным лучом 125

4.4 Выводы 131

Глава 5. Исследование метода переноса микрорельефа на поверхность металла путем прокатки структурированным валом 134

5.1 Экспериментальное оборудование и материалы для процесса металлопроката 134

5.2 Результаты экспериментов по переносу поверхностной микроструктуры методом холодного проката 139

5.3 Выводы 147

Заключение 148

Список литературы 156

• Механизмы микро- и наноструктурирования поверхности металлов на основе лазерного воздействия
• Основные виды полученных трибологических рельефов
• Связь геометрических параметров микрорельефа со смачиваемостью поверхности
• Результаты экспериментов по переносу поверхностной микроструктуры методом холодного проката

Введение к работе

Актуальность работы

Подавляющее большинство видов взаимодействия тел, полей и потоков энергии между собой, как в окружающей нас природе, так и в техносфере, происходят через поверхности взаимодействующих сред и определяются их свойствами. Форма, шероховатость, химический состав, чистота и многие другие параметры поверхности оказывают влияние на взаимодействие объектов с окружающей средой [1,2].

В конце 1980-х годов были исследованы специфические свойства некоторых растений и животных. Было обнаружено, что листья лотоса исключительно за счёт своей поверхностной микроструктуры обладают супергидрофобными свойствами, проявление которых при взаимодействии с водой и другими жидкостями называют «эффектом лотоса». Сходные явления наблюдаются и в мире фауны [3,4].

В настоящее время проблема управления «качеством» поверхности, которая включает в себя и трёхмерную микрогеометрию, шероховатость, химический состав и др. относится к числу фундаментальных. Изучению различных сторон этой проблемы посвящено множество работ и научных направлений [1-11]. Исходным моментом в таких исследованиях являются методы создания заданной шероховатости поверхности.

Современный уровень развития лазерных систем и технологий предоставляет широкий потенциал для быстрого и качественного воспроизведения известных науке микротопологий на поверхности металлов, что может обеспечить изменение физико-химических и, в конечном счете, эксплуатационных свойств поверхности объекта [12].

Большое количество работ по лазерному микроструктурированию было выполнено с применением дорогостоящих и сложных в управлении пико- и фемтосекундных лазеров. Однако для промышленного применения представляет интерес использование гораздо более дешевых и простых в эксплуатации волоконных лазерных источников наносекунднои длительности импульсов.

Несмотря на практические удобства использования волоконных лазеров для микроструктурирования поверхности конструкционных и инструментальных сталей, таких как 9ХС и сталь марки 10, остаются следующие нерешённые проблемы:

1) отсутствует качественная технология микроструктурирования поверхности
металлов, в том числе цветных, источниками лазерного излучения с Х=1070 нм
и длительностью импульсов т=4... 100 не;

2) отсутствует обоснованная эффективность использования лазеров с
подобными параметрами для изменения функциональных свойств поверхности,
в частности гидрофобных, адгезионных, антикоррозионных;

3) отсутствуют методы и технологии производства микроструктурированных
поверхностей в большом объёме и в промышленных масштабах.

Таким образом, исследование физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения наносекундной длительности с различными металлами, а также создание технологии микроструктурирования их поверхности для внедрения в промышленность является актуальной научной и практической задачей.

Степень разработанности

Наиболее распространенные на практике контактные механические методы обработки поверхности металлов уже не могут удовлетворить потребности промышленности в формировании микро- и наноповерхностей. В настоящее время требуются другие инструменты, обеспечивающие размерную обработку в субмикронном диапазоне.

Современный уровень развития лазерных систем и технологий предоставляет альтернативные возможности для быстрой и качественной прецизионной обработки поверхностей материалов. В частности лазерная обработка используется для создания сложных двух- и трехмерных микро- и наноструктур на металлических поверхностях. Модификация поверхности с помощью лазера привлекает к себе все большее внимание различных исследовательских групп. И здесь следует упомянуть Г. Вебера, Н. Ривзи, В.И. Конова, В. П. Вейко, С. М. Гейгера, А. Остендорфа, А. С. Тама, М. Гувера, С. Метева, И. Миямото, и др.

Однако появление всё новых лазеров, обладающих улучшенными характеристиками, прогрессивных оптических систем, средств контроля и наблюдения, и, в конечном счёте, новых материалов с различными эксплуатационными свойствами открывает проблему микроинженерии поверхности заново.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке технологических методов управления микроструктурой поверхности металлов лазерными импульсами наносекундной длительности для придания требуемых функциональных свойств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Исследование принципов контролируемого локального изменения поверхностной микрогеометрии металлов лазерами наносекундной длительности с наиболее эффективной для обработки металлов длиной волны -1,07 мкм и определение взаимосвязи шероховатости поверхности с режимами лазерного излучения;

2. Разработка технологии лазерного микроструктурирования поверхности стали марки 10 с применением иттербиевого волоконного лазера и сканирующей системы наведения пучка;

3. Исследование влияния параметров микрорельефа на гидрофобные, адгезионные, антикоррозионные и др. функциональные свойства поверхности исследуемой стали марки 10;

4. Разработка основного конструктивного элемента прокатной установки и выбор эффективного эластичного покрытия для качественного переноса микрорельефа с поверхности вала на поверхность фольги.

Научная новизна работы

4. Разработана и исследована технология микроструктурирования поверхности металлов, включающая три этапа: первый этап - абляции металла - формирование базового топологического рельефа; второй этап - очистка поверхности от загрязнений, образовавшихся после первого этапа обработки; третий этап - полировка поверхности путем повторного локального оплавления поверхности металла под действием более коротких импульсов для снижения параметров шероховатости сформированных микроструктур;

5. Обоснована эффективность применения технологии лазерного микроструктурирования поверхности стали марки 10 импульсами наносекунднои длительности для изменения гидрофобных и адгезионных свойств металла, позволяющих увеличить срок эксплуатации приборов и технических систем;

6. Выявлена принципиальная технологическая возможность повышения коррозионной стойкости стали марки 10 за счёт локального перераспределения углерода и железа в поверхностных слоях данного материала и образования химического соединения карбида железа БезС в результате воздействия на поверхность лазерного излучения;

7. Разработан технологический способ переноса микрорельефа с поверхности прокатных валов, обработанных лазерным излучением, на фольгу алюминия. Определены параметры эластичных материалов для изготовления покрытия прокатных валов, с помощью которых можно осуществить качественный перенос лазерно-сформированной микроструктуры, размеры которой соизмеримы с диаметром перетяжки лазерного излучения d~50 мкм.

Практическая значимость работы

8. На основе разработанной технологии модернизирован волоконный импульсный лазерный комплекс для изготовления микроструктурированных поверхностей;

9. Результаты экспериментов выявили, что разработанная лазерная технология с применением импульсов наносекунднои длительности позволила изменять ряд физико-химических свойств поверхности, таких как гидрофобные, гидрофильные и адгезионные свойства, коррозионно-стойкие свойства, оптические, трибологические и др.;

10. Исследование характеристик эластичных материалов позволили определить наиболее эффективное покрытие валов прокатного стана и модернизировать основной конструктивный элемент узла тиснения для изготовления в промышленном масштабе микроструктурированных поверхностей приборов, работающих в различных эксплуатационных условиях.

Методы исследования и материалы

11. Профилометрические измерения проводились на установке Hommel Tester Т8000 методом контактного сканирования поверхности;

12. Оптические наблюдения проводились на универсальном микроскопе Zeiss Axio Imager Al.m;

13. Температура в зоне воздействия лазерного излучения измерялась с помощью ИК-тепловизионной камеры FLIR Titanium 520М;

14. Химический состав поверхности металла определялся при помощи сканирующего электронного микроскопа JSM-5610 LV оснащённого системой химического анализа EDX JED-2201;

15. Оптическое измерение геометрических параметров микроструктур проводилось на микроскопе «Leica DMI 5000».

Основные положения, выносимые на защиту

16. Лазерное трехэтапное микроструктурирование поверхности металлов: локальная послойная абляция материала; очистка поверхности; полировка поверхности. Предложенная технология позволяет регулировать финишную шероховатость поверхности в диапазоне 0,3... 0,6 мкм и высотные параметры h поверхностного микрорельефа в диапазоне 2...3,5 мкм при помощи излучения лазера с длительностью импульсов 4 не;

17. Рекомендации по режимам воздействия на материал излучением наносекундного волоконного лазера в рамках трехэтапной технологии микроструктурирования поверхности металлов, обеспечивающей регулирование адгезионных, гидрофизических, антикоррозионных, оптических, трибологических и других физико-химических функциональных свойств поверхности, повышающих качество работы приборов и систем;

18. Результаты экспериментальных исследований воздействия наносекундных лазерных импульсов, характеризующие повышение коррозионной стойкости стали марки 10, благодаря локальному перераспределению углерода и железа в приповерхностных слоях металла и образованию химического соединения карбида железа Fe₃C;

19. Выявленная связь основных параметров шероховатости нерегулярной поверхности, изготовленной на фольге из цветных металлов методом холодного тиснения лазерно-сформированной микроструктуры, и высотных параметров h полученных структур, как от размеров и шероховатости микроструктуры на валу тиснения, так и от параметров упругости и эластичности резиновых материалов, из которых изготовлено покрытие валов тиснения, следствием чего является разница между высотой микроструктуры на валу тиснения и микроструктуры, выдавленной на фольге, составляющая не более 5... 10%.

Личный вклад автора

Все приведённые в диссертации результаты исследований, составляющие её научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором либо при его непосредственном участии.

Достоверность результатов исследований, составляющих основу настоящей диссертационной работы, подтверждается их воспроизводимостью и согласованием с данными, приводимыми другими исследователями, а также использованием обоснованных и апробированных физических методов при их изучении и объяснении. Анализ данных, полученных экспериментальным путем, проведен с учетом статистических методов обработки физических измерений, обеспечивающих их достоверность.

Апробация результатов работы

Материалы, изложенные в диссертационной работе, были представлены
на научных конференциях всероссийского и международного уровня: III
Всероссийский конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 8-11 апреля
2014 года, Санкт-Петербург; IV Всероссийский конгресс молодых ученых,
Университет ИТМО, 7-10 апреля 2015г. Санкт-Петербург; V Всероссийский
конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 12-15 апреля 2016, Санкт-
Петербург; XLIV научной и учебно-методической конференции Университета
ИТМО, 3-6 февраля 2015г., Санкт-Петербург; XLV научная и учебно-
методическая конференция Университета ИТМО, 2-6 февраля 2016, Санкт-
Петербург; IX международная конференция молодых учёных и специалистов
"Оптика-2015". Санкт-Петербург, Россия, 12-16 октября 2015; Международная
научная школа "Лазерные микро- и нанотехнологии", Университет ИТМО,
Санкт-Петербург, 1-3 июль 2015; IX Всероссийского форума студентов,
аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических
университетах", Университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 27-30 окт
2015; IX Санкт-петербургская межрегиональная конференция
«Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2015)», Санкт-
Петербург, 28-30 октября 2015 г.; Неделя науки СПБПУ 2015; Неделя науки
СПбПУ: Научный форум с международным участием, Санкт-Петербург,
Политехнический университет, 30 ноября - 5 декабря 2015 г.; 69-я научно-
техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», ЛЭТИ, Санкт-Петербург, 26.01.2016 - 4.02.2016; International
Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies", St.
Petersburg, Pushkin, Russia, 27.06.2016 - 1.07.2016; 17th International Conference.
"Laser Optics 2016", Санкт-Петербург, 27 июня -Іиюля 2016; 5-ая
международная научно-техническая конференция «Современные

высокоэффективные технологии и оборудова- ние в машиностроении» (МТЕТ -2016), Университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 6-8 октября 2016 г.; Десятый Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», Университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 24-28 октября 2016 г.; Юбилейная XV Санкт-петербургская международная конференция "Региональная информатика «РИ-2016»", Белый зал Дома ученых им. М. Горького РАН, Санкт-Петербург 26-28 окт. 2016 г.;

Основная часть материалов диссертационной работы отражена в 20 научных работах, в том числе в 6 статьях из научных журналов и изданий из перечня ВАК, Web of Science и Scopus.

Работы в научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, Web of science и Scopus:

20. Васильев О.С, Вейко В.П., Горный С.Г., Рузанкина Ю.С. Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера // Оптический журнал. - 2015. - Т. 82. - № 12. - С. 70-77, ISSN 0030-4042.

21. Васильев О.С, Горный С.Г. Технология создания поверхностных микроструктур на листовых материалах с использованием волоконного лазера // Металлообработка, Издательство «Политехника». - 2016. - № 3 (93)/2016. -С. 20-25. - ISSN 1684-6702.

22. О S Vasilyev, J S Ruzankina Laser forming micro geometric structures on the surface of roller rolling mill // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. -Vol. 735, - No. 1, - pp. 1-5. 30 August 2016 IOP Publishing, doi: 10.1088/1742-6596/735/1/012046.

23. Ruzankina J., Vasilev P.S. Study on possibility for the improvement of corrosion resistance of metals using laser-formed oxide surface structure // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 735. - No. 1. - pp. 1-5. 30 August 2016 IOP Publishing, doi: 10.1088/1742-6596/735/1/012050.

24. Ruzankina J., Vasilev P.S., [et al] Increase of corrosion resistance based on photonics methods // Laser Optics (LO), - 2016 International Conference. - 2016. -pp. 1. - IEEE Publishing, doi: 10.1109/LO.2016.7549826.

25. A. Iakovlev, O. Vasiliev [et al.] Laser anti-corrosion treatment of metal surfaces // Proc. SPIE, High-Power Laser Materials Processing: Applications, Diagnostics, and Systems VI, - Vol. 10097, - pp. 1-7, - Feb. 22. - 2017. -doi: 10.1117/12.2249953.

Работа была проведена при финансовой поддержке министерства образования и науки РФ соглашение №14.578.21.0197 (RFMEFI57816X0197)

Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Вейко Вадиму Павловичу, сотрудникам кафедры лазерных технологий и систем (ЛТиС) и сотрудникам кафедры технологии приборостроения (ТПС) в лице д.т.н., профессора Валетова В. А., к.т.н. Васильева Н. С, к.т.н., доцента Помпеева К.П., а также генеральному директору ООО «Лазерный центр» к.т.н. Горному С.Г. и официальным оппонентам д.ф.-м.н, профессору Привалову В.Е. и к.т.н. Юльметовой О.С..

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 167 наименований. Материалы работы изложены на 173 страницах, включая 64 рисунка, 27 таблиц.

Механизмы микро- и наноструктурирования поверхности металлов на основе лазерного воздействия

На сегодняшний день описано не мало экспериментальных исследований по облучению различных материалов: металлов (А1 [47, 48], Ті [49], Ni/Cu-фольга, нержавеющая сталь [50, 51]), диэлектриков (Si, Ti02, ZnO) и полупроводников (GaAs, GaP). При этом обрабатываемые материалы могли находиться в различных средах: жидкостях [52] и на воздухе [53]. Было исследовано изменение оптических [54], гидрофобных/гидрофильных [55, 56], электромагнитных (усиление локального электромагнитного поля), бактерицидных, эмиссионных и других свойств, происходящее в результате структурирования, включая обработку больших площадей [57].

Среди прочих можно выделить наиболее важные и распространённые методы, способы и технологии изменения микрогеометрии поверхности металлов лазерным излучением:

лазерная полировка поверхности на основе плавления-испарения материала;

микроструктурирование поверхности на основе локального испарения материала;

модификация топологии поверхности на основе нестабильности расплава при нагреве лазерным излучением;

микроструктурирование поверхности за счет создания поверхностных электромагнитных волн (SEW) и поверхностных периодических структур (SPS) [58, 59]:

микроструктурирование на основе метода LASER-LIGA [60] и др.

Необходимо отметить, что большое количество работ по лазерному структурированию было выполнено с применением пико- и фемтосекундных лазеров, обладающих максимальным потенциалом для создания поверхностных микро- и наноструктур. Это связано с тем, что при мощном кратковременном воздействии реализуется процесс абляции материала с переходом в плазму и газообразную фазу при минимальном количестве жидкой фазы - расплава. Отсутствие расплава исключает натекание металла на края зоны обработки, в результате чего рельеф получается более чётким [61, 62]. Особенности этого процесса также были рассмотрены с теоретической точки зрения [63].

Однако на сегодняшний день лазеры с ультракороткими длительностями импульсов продолжают оставаться достаточно дорогими, недостаточно надежными, и, как следствие, недостаточно широко распространёнными. Для практического (промышленного) применения представляет интерес использование гораздо более дешевых и простых в эксплуатации лазерных источников наносекундной длительности импульсов.

Лазерная обработка на основе процесса локального испарения вещества

Современные достижения в области лазерной физики, техники и технологии позволили повысить точность и контролируемость процесса лазерного формирования топологии поверхности. Среди основных факторов, обеспечивающих этот результат, можно выделить следующие:

возможность выбора различных длин волн (от УФ-излучения до среднего ИК-диапазона), что обеспечивает высокую степень поглощения света (а) и, соответственно, малую глубину его проникновения в материал 8=1/а (где а -коэффициент Бугера). Основные типы лазеров, которые по своим техническим характеристикам могут успешно применяться для обработки поверхности материалов, представлены в таблице 3.

короткая и ультракороткая длительность импульсов лазерного излучения т (х Ю-9 ... Ю-15 с) даёт возможность проводить строго дозированное удаление материала и значительно уменьшает размеры зоны термического влияния;

совокупность основных известных методов фокусировки -сканирования, оптическая проекция и комбинированные методы - позволяют осуществлять точную локализацию формируемых микроструктур на поверхности материала и обеспечивают необходимое поле обработки с высокой производительностью;

современные достижения в области исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом позволяют осуществлять широкий спектр процессов модификации поверхности - от микроструктурирования до полировки.

Наиболее универсальным методом структурирования поверхности металлов является лазерное удаление материала излучением с длиной волны ближнего ИК-диапазона (Х=1064...Ю70 нм) и длительностями импульсов т=1(Г9... Ю-15 с. Дифракционный предел накладывает ограничения в изготовлении наноразмерных регулярных микрорельефов (РМР), однако прямая обработка лазерным излучением УФ-лазера или использование интерференционных методов позволяет изготовить рельеф субмикронных размеров ( 100 нм).

Основным физическим процессом в микроструктурировании является абляция. Абляцией называют удаление вещества материала с поверхности при воздействии лазерного излучения. Лазерная абляция может быть двух типов:

однофазная абляция - происходит исключительно за счёт испарения материала;

двухфазная абляция - происходит за счёт испарения материала с вытеснением жидкой фазы расплавленного материала.

Двухфазная лазерная абляция

Как известно, только очень ограниченное число материалов, при интенсивном лазерном воздействии, трансформируется в газообразную фазу из твердой, минуя плавление. В большинстве случаев присутствуют три фазы вещества: «твердое состояние - расплав - газ (пар)», что приводит к двухфазному механизму лазерной абляции. На материал в жидкой фазе оказывают влияние следующие факторы:

давление отдачи пара, которое способно изменить форму ванны расплава и привести к появлению так называемых «выплесков» и других морфологических форм структуры;

поверхностное натяжение, способное изменить форму ванны расплава после окончания лазерного воздействия и привести к возникновению термокапиллярных волн при наличии неоднородности температуры и поверхностного натяжения в центре и на периферии зоны воздействия;

гидродинамическая нестабильность поведения расплава из-за неравновесного процесса лазерной абляции (быстрое нагревание, охлаждение и высокотемпературные перепады).

протекание в зоне обработки термохимических процессов при лазерном нагревании поверхности металлов, в частности, образование оксидной плёнки. Наличие оксидов заметно влияет на оптические, механические и химические свойства поверхности металлов [64-69].

Все эти явления могут быть использованы для модификации топологии поверхности, как это продемонстрировано в работе научной группы под руководством Г. Шафеева [70]. Конические структуры были получены на поверхности кристаллов Si и Ge, поликристаллов титана под действием лазера на парах меди в импульсном режиме (рисунок 9).

Появление конусов высотой 20...30нм происходит вследствие изменения оптической поглощательной способности поверхности. Так формируется рельеф. У описанного процесса структурирования поверхностей есть масса возможных применений. Например, измененная поверхность кремния имеет высокий показатель поглощения видимого света из-за многократного рассеяния на конусах, что могло бы быть использовано в изготовлении солнечных батарей вместо антиотражающих покрытий. Структура поверхности кремния представляет потенциальный интерес как область излучения электронов, что может быть легко интегрировано в кремниевые электронные устройства.

Основные виды полученных трибологических рельефов

Представленный на рисунке 31, массив цилиндров и прямоугольных секторов применяется в механизмах, где имеет место интенсивное трение между двумя поверхностями (например, в автомобильных двигателях или передаточных механизмах). В частности, для сбора и резервации масла и мелкодисперсной крошки, которая образуется вследствие естественного износа поверхности при трении или притирке. В зависимости от типа механизма можно изменять площадь плоскости трения, уменьшая или увеличивая контактную плоскость микроструктуры и её глубину. Подобные типы микрорельефов представлены в следующих источниках [109-112]. Основные характеристики рассмотренных структур приведены в таблицу 10.

Как видно из графиков изменения шероховатости верхней плоскости цилиндров (см. рисунок 32), шероховатость «отполированной» лазерным излучением поверхности оказалась в 2,5 раза меньше шероховатости необработанной поверхности. Этот результат лишний раз доказывает эффективность применения трёхэтапной лазерной технологии формирования микроструктур для изменения трибологических свойств поверхности, что крайне необходимо в производстве узлов механизмов, в которых присутствует активное трение.

Следующий тип микроструктур предназначен для плоскостей трения скольжения взаимоперемещающихся объектов (рисунок 34). На рисунке 34 и в таблице 11 птаблица 11. редставлены треугольные линейные микроструктуры для механизмов с однонаправленной плоскостью трения-скольжения. Такая структура позволяет двум объектам перемещаться однонаправленно относительно друг друга. В случае перемещения в обратном направлении происходит естественная блокировка движения [111, 113].

Таким образом, реальная поверхность объекта имеет достаточно богатый набор топографических характеристик, которые можно регулировать в зависимости от требований производства. Их можно разделить на две группы, среди которых:

макрогеометрия - макрорельеф, отклонение формы, высотные, пошаговые, латеральные, периодические и др. характеристики поверхности;

микрогеометрия - шероховатость поверхности, пористость, микродефекты и др.;

Каждая из этих характеристик определяет размер номинальной области касания контактирующих поверхностей и, как следствие, оказывает существенное влияние на трибологическое поведение, эксплуатационные свойства и износостойкость объектов.

Предлагаемая в работе технология микроструктурирования поверхности металла позволяет регулировать каждый из описанных параметров: первый этап абляции металла задаёт макрогеометрические, а третий этап «полировки» микрогеометрические параметры поверхности. Несмотря на то, что не было проведено экспериментов и измерений реальных трибологических характеристик изготовленных поверхностей, в работе представлена принципиальная возможность создания широкого выбора поверхностных рельефов.

Связь геометрических параметров микрорельефа со смачиваемостью поверхности

Известно, что многие физико-химические свойства поверхности определяются её микро- и наногеометрией, химическим составом и структурой поверхностного слоя. Теоретическая задача оптимизации параметров микрогеометрии поверхности раздела по какому-либо её свойству в общем случае является чрезвычайно сложной ввиду большого количества факторов, оказывающихся существенными в зависимости от природы контактирующих сред, характерного масштаба рельефа, условий эксплуатации и т.д. В то же время, не имея общей физической картины изучаемых явлений, достаточно сложно добиться желаемого результата при экспериментальных исследованиях. Теоретический анализ, выявив взаимосвязь параметров геометрии рельефа с интересующими физико-химическими свойствами для ряда модельных ситуаций, позволяет задать верное направление экспериментальным исследованиям, а возможно, и дать количественное объяснение некоторым из полученных экспериментальных закономерностей. Ниже рассмотрена количественная взаимосвязь наиболее важного для данного раздела физико-химического параметра поверхности - ее смачиваемости - с геометрией рельефа поверхности.

Смачиваемость - ключевой параметр в целом ряде процессов взаимодействия жидких, вязких и других подобных сред. Явление смачивания и растекания жидкости по поверхности наряду с адсорбцией и адгезией играют большую роль в технологических процессах создания композиционных материалов, пайки и пропитки, взаимодействия жидкометаллических теплоносителей со стенками теплообменников и др [128].

Основной характеристикой контактного смачивания поверхности твердого тела жидкостью является равновесный краевой угол смачивания 0О. По значению краевого угла смачивания покрытия можно разделить на гидрофобные (9о 90) и гидрофильные (0О 9О).

Для связи геометрических параметров рельефа со смачиваемостью воспользуемся термодинамическим подходом. Термодинамический подход к определению!) заключается в минимизации свободной энергии системы контактирующих сред. Для простейшего случая плоской, абсолютно жесткой поверхности твердого тела, пренебрегая влиянием силы тяжести и считая неизменным химический состав системы, краевой угол смачивания 0О будет описываться по формуле: где 5SG, OSL, 5LG - поверхностные натяжения на границах раздела фаз (индекс SG относится к границе «твердое тело-газ», SL-к границе «твердое тело-жидкость», LG - к границе «жидкость-газ»).

Рассмотрим влияние микрорельефа поверхности (с характерной высотой рельефа от 0,1 до 100 мкм) на краевой угол смачивания.

В качестве количественного параметра, характеризующего микрогеометрию рельефа, используем параметр К 1, являющийся отношением площади поверхности к площади её проекции на горизонтальную плоскость. В случае шероховатой поверхности фактически измеряется не реальный краевой угол Go, а макроскопический краевой угол QR - угол наклона поверхности жидкости к плоскости, на которую проецируется профиль поверхности. Различают два случая: 1) жидкость полностью вытесняет воздух из углублений (состояние Венцеля), 2) в промежутках между каплей и твердым телом остается воздух (состояние Касси). В первом случае угол QR может быть определен из уравнения Венцеля-Дерягина:

Из уравнения (27) следует, что если изначально жидкость не смачивает поверхность (0О л/2), то увеличение шероховатости приведет к увеличению значения макрокраевого угла, а если жидкость смачивает данный материал (0 0О л/2), то увеличение шероховатости приведет к уменьшению макрокраевого угла QR.

В состоянии Касси макроскопический краевой угол определяется из соотношения: где ф - отношение площади поверхности раздела «жидкость - твердое тело» к полной площади поверхности твердого тела в области смачивания.

Эти простые соотношения в ряде случаев хорошо согласуются с экспериментальными закономерностями влияния шероховатости на смачивание. Однако известны ситуации, в которых на величину краевого угла оказывает влияние форма выступов и углублений микрорельефа.

С практической точки зрения важным является не только анализ равновесных ситуаций, но и изучение процесса течения жидкости по структурированным поверхностям. Этот процесс может быть рассмотрен аналогично процессу течения жидкости по гладким поверхностям, нос введением некоторых эффективных (т.е. усредненных по характерному масштабу неоднородности рельефа) величин. В этом отношении наибольший интерес представляют текстурированные гидрофобные поверхности, на которых жидкость находится в состоянии Касси. При течении жидкости газовые карманы выполняют функцию смазки, что позволяет существенно увеличить характерную эффективную длину скольжения. В случае некоторых текстур известны аналитические выражения, позволяющие оценивать эффективную длину скольжения beff по параметрам микрогеометрии. Например, для супергидрофобной поверхности, состоящей из периодического массива бороздок, в условиях течения в широком канале (H»L, где Н - ширина канала, L - период структуры) и идеального скольжения на газовых участках значение Ье определяется по формулам: где bjyy, bL - эффективные длины скольжения в перпендикулярных и параллельных к бороздкам направлениях; ф2 - доля поверхности жидкости, находящейся в контакте с газом.

Следует отметить, что на характер смачивания и связанных со смачиванием явлений значительное влияние могут оказывать разнообразные факторы: размер капли, температура и давление, адсорбция молекул жидкости за пределами смоченной площади, электрокапиллярные явления, химический состав жидкости и поверхности твердого тела, пористость поверхностного слоя и т.д.

Автором работы проводились исследования по созданию поверхностей, обладающих гидрофобными и супергидрофобными свойствами, а также поверхностей, обладающих высокой степенью смачиваемости. В качестве экспериментального материала была выбрана коррозионно-стойкая сталь марки 10Х18Н10Т.

Результаты экспериментов по переносу поверхностной микроструктуры методом холодного проката

Проведённые авторами работы эксперименты заключались в формировании микроструктуры на металлическом валу и дальнейшем переносе изображения методом холодного проката на фольгу и металлические листы толщиной 0,5...3,0 мм. При использовании стального опорного вала фольга подвергалась сильному механическому воздействию сжатия, в результате чего деформировалась и разрушалась из-за своей малой толщины (0,01... 0,20 мм). В то же время, при прокате металла толщиной 0,5...3,0 мм использование системы валов «металл-металл» является более целесообразным, так как глубина изменения микрогеометрии рисунка составляет не более 0,3 мм. Толщина материала достаточно велика, чтобы сохранить свою целостную структуру. При повышении степени сжатия валов материал удлиняется, толщина его уменьшается, а микроструктура становится более качественной, что обусловлено большой пластической деформацией металла.

Штамп из фторопласта Ф4

Для проката фольги изначально покрытие вала изготавливалось из фторопласта Ф4. Однако, этот материал при термической обработке становится токсичным. Кроме того, изготовленные микроструктуры не удовлетворяют требованиям качества и геометрического соответствия. Фторопласт оказался излишне мягким материалом, что сильно затрудняет его обработку и снижает износостойкость. Результаты тиснения фольги штампом из фторопласта Ф4 представлены на рисунке 58.

В следующих экспериментах микроструктура формировалось на стальном валу, а подложка изготавливалась из резины с различными механическими характеристиками (таблица 25).

Эластомеры выполняют функцию подложки, принимающей форму микрорельефа, изготовленного на штампе. Данный метод пригоден в основном для проката фольги, так как подложка поддаётся эластичной деформации при незначительных величинах сил сжатия. Формирование микрорельефа глубиной 100 мкм сопровождается сложностями, связанными с нарушением целостности и разрушением тонколистового материала. Для более толстых листов металла (от 0,3 мм) этот метод не эффективен по причине того, что резина не обеспечивает должного уровня упругости.

Наилучшие результаты по переносу микроструктуры на листовой материал были получены при использовании подложки из резины NBR №2 (таблица 25, рисунок 59).

Матирование любой поверхности происходит за счёт увеличения её шероховатости, в частности, формирования поверхностных периодических структур, как изображено на рисунке 59 б. Свет, падая на обработанную поверхность фольги, испытывают большее рассеяние, чем при падении на нетронутые участки. На рисунке 59, нетронутые участки изображены в виде звёзд.

Критерием оценки качества изготовленных микроструктур является геометрическое соответствие профилю на штампе, включая шероховатость Ra, Rz, высотные и латеральные характеристики h (таблица 26).

Использование в качестве подложки более плотной резины NR (см. таблицу 25) обеспечивает получение корректного отпечатка микроструктуры при условии увеличения силы сжатия валов. Это связано с необходимостью достижения требуемого уровня пластической деформации прокатного материала. При этом фольга приобретает нужную форму, однако становится более хрупкой, ломкой, подверженной разрушению и разрыву при изгибе из-за избыточных внутренних напряжений (рисунок 60).

При использовании ещё более плотного эластомера NBR №1 (см. таблицу 25), микроструктурирования поверхности наблюдаться не будет. Подложка из этого материала не способна принимать контур микроструктуры. Заметны будут лишь общие геометрические очертания рисунка. Однако, целостность металлического полотна не нарушается. Это может быть полезным в дальнейшем при создании логотипированной продукции с изображениями больших размеров (рисунок 61).

Формирование полиграфических изображений

При использовании наиболее оптимальной по всем параметрам подложки из резины NBR №2 (см. таблицу 25), возможно сформировать более сложный и точный микрополиграфический рисунок. Технология холодного проката позволяет получить оттиск с элементами изображения, соизмеримыми с диаметром перетяжки лазерного излучения і 30...50 мкм. Данная технология открывает перспективы для создания сложных полиграфических изображений в промышленных масштабах (рисунок 62).

Прокат металла толщиной 0,5. ..3,0 мм

Для проката металла толщиной от 0,5 мм следует использовать систему валов «металл-металл», где основной вал, несущий информацию о поверхностной микроструктуре, и опорный вал изготовлены из инструментальной стали марки 9ХС.

В данной работе была изготовлена микроструктура, представляющая собой массив пирамид высотой /7=0,5 мм. Изображение полученной микроструктуры представлено на рисунке 63.

Далее полоски, изготовленные из различных материалов, таких как свинец, алюминий и латунь, прокатывались на прокатном стане. В результате были получены металлические ленты с отпечатанной поверхностной структурой (рисунок 64, таблица 27).

В целом, при формировании микрорельефа на поверхности листового материала возникают проблемы, связанные с низким качеством получаемого рисунка, а также с разрушением целостности металла или его сильной пластической деформацией. Некоторые проблемы можно решить с помощью регулирования давления в зоне проката, а некоторые требуют замены частей прокатного механизма. Например, при увеличении степени сжатия прокатных валов и давления в зоне проката, площадь соприкосновения поверхностей металлов увеличивается, и трение в зоне контакта возрастает, что оказывает существенное влияние на качество и точность переносимого изображения. Чем больше давление, оказываемое в зоне обработки металла, тем точнее формируется изображение. Но пластическая деформация в металле приводит к возникновению многоосных напряжений, оказывающих негативное влияние на качество микроструктуры.