Исследовали состав поверхности многокомпонентных сплавов при импульсном лазерном воздействии.

Модификация поверхности металлов и сплавов с использованием лазерного излучения позволяет решать целый ряд важных проблем современного машиностроения, в том числе проблему повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента.
Величина коэффициента трения в зоне контакта зависит от многих факторов, к которым относятся и состав и свойства взаимодействующих поверхностей.
Воздействие на поверхность многокомпонентных сплавов на основе железа лазерного излучения при облучении на воздухе приводит к перераспределению легирующих элементов по глубине, изменению состава поверхности и образованию в зоне лазерного воздействия (ЗЛВ) оксидных пленок металлов. При решении прикладных задач по лазерному упрочнению принципиальное значение приобретает возможность контролируемого изменения состава и свойств поверхности в зависимости от условий и режимов лазерного воздействия. Присутствие оксидных пленок исключает прямое контактное взаимодействие и схватывание трущихся поверхностей, изменяя тем самым кинетику износа и трибомеханические характеристики процесса резания.
Наибольшее влияние полиоксидные структуры, формирующиеся на поверхности металлорежущего инструмента при лазерной обработке на воздухе, оказывают на участке приработки. Для достижения наибольшей стойкости упрочненного инструмента режимы лазерной обработки должны выбираться из условия получения наибольшей толщины образующейся на рабочей поверхности однородной окисной пленки.
Эффективными методами анализа состава тонких поверхностных слоев материалов, в том числе и окисных пленок, являются оже-электронная спектроскопия (ОЭС), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, масс-спектроскопия вторичных ионов и мессбауэровская спектроскопия.
Например, на поверхности стали Р18 при нагреве на воздухе лазерным импульсным излучением миллисекундной длительности образуется двухкомпонентная оксидная пленка, состоящая из Fе₂О₃ и FеО, суммарная толщина которой составляет ~1000 А.
Достоверно известно, что толщина первичной оксидной пленки на железе не превышает 30-40 А, а сама эта пленка является двухслойной: внутренний, прилегающий к основному металлу слой состоит из Fе₃О₄, а внешний слой образует пленка Fе₂О₃.
В условиях сухого трения стабильная пленка Fе₃О₄ обеспечивает на порядок меньшую скорость износа, чем пленка FеО или Fе₂О₃.
Целью данной работы Козакова А.Т. и Яресько С.И. было исследование состава оксидных пленок, образующихся в ЗЛВ на воздухе на поверхности сталей различного состава. Облучение сталей марок ст45, 9ХС и Р6М5, существенно отличающихся по содержанию легирующих элементов, проводилось на специализированной импульсной лазерной установке с активным элементом из Nd стекла без оплавления поверхности.
Использование растровой оптики обеспечивало равномерность температуры в ЗЛВ не хуже ±5%. Минимально необходимая для начала образования оксидов плотность энергии лазерного излучения составляла 1,8-2,0 Дж/мм², при 2,8 Дж/мм² достигался критический режим облучения, при котором температура в ЗЛВ была лишь на 5-10% ниже температуры плавления материала.
Состав оксидов, образующихся на поверхности сталей в ЗЛВ при импульсном облучении на воздухе, определялся методом ОЭС.
Все спектры были получены из центральной области ЗЛВ с помощью модернизированного спектрометра ЭСО-3. Изменение элементного состава поверхности фиксировалось по изменению интенсивности оже-линий при послойном стравливании материала ионами аргона.
Ускоряющее напряжение электронной пушки составляло 3 кВ, ток пучка 40 мкА, диаметр электронного зонда ~3 мкм. Давление в камере спектрометра при измерении не превышало 10^{-9 мм рт.ст., при ионном травлении давление повышалось до 10-5 мм рт.ст.
На основании полученных результатов и литературных данных можно сделать предположение о структуре пленки и расположении образующихся оксидов металлов относительно материала основы. Максимальная толщина пленки достигается при критическом режиме лазерной обработки с плотностью энергии ?2,8 Дж/мм2}.
Из того, что ОЭС является методом локального поверхностного анализа, а электрохимический метод позволяет получать усредненные по всему стравливаемому слою данные, следует, что образующаяся при лазерной обработке оксидная пленка является многокомпонентной и многослойной.
В самом верхнем поверхностном слое располагаются участки оксидов железа FеО и Fе₂О₃ и высшие оксиды легирующих элементов (Сr, W, Мо), тогда как более глубокие слои состоят, в основном, из оксида Fе₃О₄.
Такие модельные представления о структуре оксидных пленок подтверждаются данными по составу пленок, образующихся на поверхности железа и низкоуглеродистой стали в условиях естественного окисления.
С другой стороны, для обеспечения максимальной адгезии оксидной пленки с основным металлом ее состав должен постепенно меняться по толщине от высших оксидов железа на поверхности до металлического железа на границе раздела с основным металлом.
Предложенная схема расположения окислов удовлетворяет этому условию. Оксидные пленки, образующиеся на сталях при импульсном нагреве лазерным излучением, имеют переменный по толщине состав без явно выраженных границ между оксидами различной валентности и металлом.
Оценить толщину многослойной оксидной пленки можно из следующих соображений.
В условиях лазерного нагрева, в отличие от изотермического, скорость окисления будет пропорциональна не только градиенту концентрации, но и градиенту температуры, величина которого определяется, в основном, коэффициентом термоЭДС оксида. Однако для Fе₃О₄, являющегося основным компонентом окисной пленки, значение термоЭДС меньше нуля, поэтому термодиффузионные процессы не влияют на скорость лазерного окисления.
Для характерных времен лазерного нагрева ~10^-2 с и температуры на поверхности ЗЛВ 1280°С, предельное значение толщины пленки составляет ~1440 А, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, согласно которым толщина многослойной оксидной пленки Fе₃О₄, образующейся на поверхности стали Р6М5 при лазерном облучении, не превышает 0,2 мкм, и с расчетным значением ~1000 А, полученным для случая окисления массивных металлов и сталей при нагреве миллисекундным импульсом без плавления поверхности. Таким образом:
- Импульсная лазерная обработка сложнолегированных сплавов на основе железа на воздухе приводит к образованию на поверхности многокомпонентной многослойной оксидной пленки. В верхнем поверхностном слое пленки находятся локальные участки оксидов железа FеО и Fе₂О₃ и высших оксидов легирующих элементов (Сr, W, Мо), в более глубоких слоях пленки состоит, в основном, из оксида Fе₃О₄.
- При лазерном облучении инструментальных сталей 9ХС и Р6М5 происходит существенное перераспределение легирующих элементов по глубине зоны лазерной обработки.
Содержание Сr, W и Мо в поверхностном слое возрастает, что изменяет состав образующихся оксидов и их взаимное расположение по толщине оксидной пленки.

Источник: ltc.ru, «Физика и химия обработки материалов», 2010, №3, с.67-73.