Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана



Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана
Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана

 


Владельцы патента RU 2522919:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) (RU)

Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота. Обеспечиваются износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия на изделиях из титана и его сплавов, а также улучшаются антифрикционные свойства их поверхностей. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам нанесения покрытий и может быть использовано для получения износостойких и коррозионно-стойких покрытий на изделиях из титана и его сплавов, а также улучшения антифрикционных свойств их поверхности.

Известен способ получения покрытия из нитрида титана на деталях, включающий обработку в азотной плазме при воздействии миллисекундного луча лазера и давлении 40-80 атм, что обеспечивает плотность азотной плазы 5·10 Вт/см2, при этом в зону ее воздействия помещают титановую подложку и обрабатываемую деталь, на которую подают постоянное положительное напряжение величиной 100-180 В (см. Авторское свидетельство СССР №1067859, МПК 7 С23С 8/36, опубл. 27.07.2005). Данный способ позволяет наносить слой нитрида титана на любые проводящие материалы, но для обработки изделий из титана и его сплавов он излишне сложен.

Известен способ формирования защитного покрытия поверхности пластин из титана и титановых сплавов, где слой нитрида титана формируется за счет нагрева малой области поверхности пластины излучением СО2 лазера с интенсивностью около 2·104 Вт/см2 в среде газообразного азота до температуры, не превышающей порог плавления материала (см. US 4434189, МПК 3 B05D 3/06, С23С 13/08, В05В 5/00, 1984). В рассматриваемом способе атомы азота диффундируют в нагретый материал из газовой фазы. Диффузионные процессы являются достаточно медленными. При реализации способа неизбежен глубокий прогрев обрабатываемого материала с последующим медленным остыванием. Это приводит к отпуску материала, что накладывает ограничения на обработку готовых изделий, так как возможно изменение их механических свойств. Кроме того, способ предполагает естественное формирование поверхности покрытия без ее принудительного структурирования.

Наиболее близок к заявляемому способ упрочнения азотированием поверхности подложки из титанового сплава, где слой нитрида титана формируется за счет нагрева малой области поверхности титана лазерным излучением до температуры плавления в среде газообразного азота, а в качестве источника излучения предлагается СО2, YAG или эксимерные лазеры (см. US 5290368, МПК 5 С22С 14/00, 1994). Способ предусматривает нагрев обрабатываемой поверхности до температур более высоких, чем в предыдущем, что увеличивает скорость диффузии азота в основной материал. Однако обеспечивается это за счет использования лазерного излучения с высокой средней энергией. В результате процесс формирования слоя нитрида остается достаточно медленным и сопровождается сильным прогревом основного материала. Кроме того, способ не предполагает микроструктурирования нитрида титана. Таким образом, рассмотренный способ, несмотря на близость к заявляемому, нельзя рассматривать как прототип.

Не обнаружено прототипа и среди способов получения непосредственно микроструктурированного нитрида титана, так как все они предполагают получение порошков, а не сплошных слоев на исходном материале.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение на поверхности титана или его сплава сплошного слоя TIN, на поверхности которого сформирована упорядоченная система микроструктур. Высокая твердость и устойчивость к агрессивным средам нитрида титана определяет увеличения износостойкости и коррозионной стойкости обработанной поверхности, а структурирование сформированного слоя улучшает ее антифрикционные свойства, так как уменьшает площадь контакта.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования микроструктурированного слоя нитрида титана воздействие на титановую подложку осуществляют фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.

На фиг.1 приведена схема воздействия лазерного излучения на поверхность титана. На фиг.2 приведено изображение фрагмента массива микроструктур на поверхности слоя нитрида титана. Изображение получено при помощи растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D.

Способ реализован согласно схеме, представленной на фиг.1. Титановая подложка 4 устанавливалась в кювете 5 с жидким азотом 3. Жидкий азот покрывал поверхность подложки слоем с толщиной 10 мм. Излучение 1 фемтосекундного лазера фокусировалось объективом 2 на поверхность подложки. Параметры воздействия: длина волны излучения 800 нм, длительность импульса излучения 50 фс, частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в импульсе 100 мкДж, радиус пятна фокусировки на поверхности подложки 100 мкм. Охлаждение жидким азотом обеспечивало ускоренную фиксацию результатов воздействия лазерного импульса, сопровождающегося плавлением материала, и устранение влияния приповерхностной плазмы.

Нелинейное взаимодействие мощного лазерного излучения с азотом приводит к филаментации пучка. В результате плавление титана происходило не интегрально по всей области лазерного воздействия, а в точках локальных максимумов пространственного распределения интенсивности излучения. Сформировавшиеся в этих точках кратеры равномерно заполняют область лазерного воздействия, образуя двумерную периодическую структуру с шагом около 3 мкм. В пределах отдельного кратера происходило плавление материала по традиционному для лазерного воздействия сценарию. Расславленный материал выносился из кратера на прилегающую к нему поверхность мишени, где впоследствии застывает, образуя валик. После окончания действия лазерного импульса под действием жидкого азота расплав быстро затвердевал, а поверхность мишени охлаждалась. В результате на поверхности мишени формировалась упорядоченная двумерная система микрократеров с диаметром 2 мкм, глубиной 300 нм и периодом 3 мкм (фиг.2). Каждый микрократер окружен кольцом шириной 300 нм и высотой 300 нм. Таким образом поверхность возможного контакта уменьшается в 9 раз.

В течение действия лазерного импульса происходила интенсивная диффузия азота в титан и формирование нитрида титана как в областях расплава, так между ними. В результате на поверхности мишени был образован сплошной структурированный слой нитрида титана. Короткая длительность импульса лазерного излучения и его малая энергия не позволяют прогреть обрабатываемый материал на значительную глубину. Таким образом исходные механические свойства основного материала под слоем нитрида титана остаются неизменными.

Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана на титановой подложке, характеризующийся тем, что на титановую подложку воздействуют фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу азотирования деталей узлов трения скольжения с получением наноструктурированного приповерхностного слоя.
Изобретение относится к способам повышения стойкости металла к коррозии и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте. .
Изобретение относится к области обработки поверхности длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа. .

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии, а именно к устройствам для обработки длинномерных изделий. .

Изобретение относится к способу получения изделий из материала на основе титана с покрытием, представляющих собой полусферическую головку медицинской полусферической фрезы.
Изобретение относится к области химико-термической обработки сталей ионно-вакуумным азотированием и может быть использовано для упрочнения деталей с резьбовой поверхностью.

Изобретение относится к области металлургии, а именно способам химико-термической поверхностной обработки титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.
Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала и может быть использовано для обработки длинноменых прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.

Изобретение относится к области термической, химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности. .

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования.

Изобретение относится к устройствам вакуумного нанесения покрытий на рулонные материалы. Может использоваться для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники.

Изобретение относится к технологиям повышения износостойких, прочностных и антифрикционных свойств металлорежущего инструмента, внешних поверхностей обшивки авиационных и космических летательных аппаратов, оптических приборов и нанотехнологиям.

Изобретение относится к способу восстановления элементов турбомашины. .

Изобретение относится к солнечным элементам и слоям материала в составе этих элементов, а также к способу и системе для изготовления солнечных элементов. .

Изобретение относится к способу нанесения покрытия из нитрида углерода на различные изделия, имеющие большие поверхностные зоны, а также к изделиям с покрытием из нитрида углерода, изготовленным данным способом.

Изобретение относится к нанесению покрытий на металлические изделия, имеющие большие поверхностные зоны. .

Изобретение относится к способу лазерной абляции для нанесения покрытия на изделие, имеющее одну или более поверхностей, и к изделию с покрытием. .

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на тело, выполненное из металла, стекла, минерала или пластика, и телу, полученному этим способом. .

Изобретение относится к способу поверхностной обработки слоя керамического покрытия режущего инструмента с помощью электронного пучка и к режущему инструменту. .

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения слоев карбида кремния при изготовлении микроэлектромеханических устройств, фотопреобразователей с широкозонным окном 3С-SiC, ИК-микроизлучателей. Способ получения тонких эпитаксиальных слоев β-SiC на кремнии монокристаллическом включает распыление керамической мишени SiC путем сканирования по ее поверхности лазерным лучом в условиях высокого вакуума без добавок газообразных реагентов на нагретую подложку. Распыление осуществляют лазером с длиной волны излучения λ=1,06 мкм и выходной энергией излучения 0,1÷0,3 Дж при остаточном давлении в ростовой камере 10-4-10-6 Па и при температуре подложки 950÷1000°C. Обеспечивается получение эпитаксиальных слоев карбида кремния кубической модификации (β-SiC) на подложках кремния монокристаллического (Si) кристаллографической ориентации (111) и (100). 4 ил.
Наверх