2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение.................................................... 4
Глава 1.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ЛАЗЕРНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ И ОСАЖДЕНИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА (Обзор литературы. Постановка задачи исследований.)....9
1.1. Поверхностное легирование импульсными лазерными пучками: транспортные процессы в поверхностных слоях, структурообра-зование метасгабильных сплавов, модели процесса............. 9
1.2. Импульсное лазерное испарение материалов: формирование, разлет и конденсация факела......................................... 16
1.3. Постановка задачи исследований........................... 21
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНО-ИНИЦИИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИМИ МАТЕРИАЛОВ............................... 25
2.1. Экспериментальная установка для исследования динамики лазерного факела методом импульсной голографической интерферометрии............................................ 25
2.2. Экспериментальная методика лазерного легирования материалов облучением через прозрачные слои и оптико-акустический мониторинг лазерно-инициированных процессов................... 32
2.3. Осаждение покрытий из лазерного факела в газах........... 37
2.4. Методы исследования модифицированных материалов и осажденных покрытий....................................... 38
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА И МОДИФИЦИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ГАЗАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ...................................................... 41
3.1. Приповерхностные процессы в газе на ранней стадии
импульсного лазерного воздействия на мишень................41
3.2.Формирование автоструктуры в области пятна фокусировки
лазерного излучения........................................... 49
3.3. Испарение материала мишени и формирование эрозионного факела... 52
3.4. Формирование оптического пробоя при лазерной обработке материалов в камере повышенного давления...................... 56
3.5.Особенности поверхностной обработки металлов при импульсном
лазерном облучении в газах повышенного давления............... 61
Глава 4.ОСОБЕНIЮСТИ ЛАЗЕРНО-ИНИЦИИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОЗРАЧНЫХ ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ....................... 66
4.1. Глубинное распределение элементов и формирование топографии поверхности при наносекундном лазерном легировании....................................................... 66
4.2. Оптико-акустический мониторинг импульсного лазерного воздействия на систему пленка-подложка........................ 71
4.3. Микроструктура поверхностных сплавов......................... 77
4.4. Особенности транспортных процессов и структурообразования метастабильных сплавов при лазерном легировании с использованием прозрачного покрытия........................... 83
Глава. 5. ДИНАМИКА КОНДЕНСАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА И
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
ПОКРЫТИЙ В ГАЗАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ............................. 94
5.1. Динамика фронта конденсации при лазерном восстановлении
и окислении металлов в газах повышенного давления.............. 94
5.2. Структура слоев, формирующихся при осаждении из лазерного
факела при восстановлении и окислении материалов.............. 101
5.3. Импульсное лазерное осаждение наноструктурированных покрытий Мо8ех в буферном газе........................................ 103
Заключение....................................................... 116
Литература....................................................... 122
4
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии, среди которых особое место занимает лазерная технология, стали в последнее время высокоэффективными средствами производства [1, 2]. Одно и перспективных направлений лазерной технологии связано с разработкой новых процессов модифицирования поверхности материалов и синтеза новых материалов. Следует выделить такие важные процессы как поверхностное легирование и осаждение тонкопленочных покрытий на основе известных и вновь синтезируемых соединений [3, 4].
При поверхностном лазерном легировании в поверхностный слой материата вводятся атомы требуемого вещества, которые изменяют структурное и химическое состояние этого слоя. Для легирования применяют такие методики, как облучение поверхности материала, на которую предварительно наносится слой внедряемого вещества [5], а также облучение поверхности в газе повышенного давления [6] или под слоем жидкости [7]. Во всех этих случаях при воздействии лазерного излучения на материал развивается комплекс сложных физических и химических процессов, которые и определяют эффективность поверхностного модифицирования. Для широкого внедрения такой технологии в реальное производство требуется всестороннее исследование картины таких процессов, установление основных механизмов, обуславливающих изменение свойств магериалов. Проведение
фундаментальных физических исследований взаимодействия лазерных пучков с материалами в необычных условиях необходимо для разработки новых оригинальных процессов модифицирования, которые обеспечат получение материалов с улучшенными свойствами.
Лазерное легирование реализуется через инициирование фазовых превращений (плавление, кипение, плазмообразование), которые развиваются в приповерхностной зоне, которая захватывает как поверхностный слой материала, так и окружающую его среду (воздух, газ, жидкости). Построение целостной картины лазерного модифицирования возможно только при проведении комплексного исследования процессов, протекающих в таких слоях.
5
К настоящему времени достаточно глубоко исследованы процессы лазерноплазменного синтеза нитридов, карбидов и других химических соединений при воздействии на магериал в среде (газе, жидкости) лазерными пучками достаточно высокой интенсивности [например, 6-8]. Основной эффект модифицирования достигается за счет инициирования химических реакций поверхности с окружающей средой, активируемой процессами плазмо-образования в поле лазерного излучения. Особенности лазерно-инициируемых процессов при воздействии на материалы более умеренных по интенсивности световых импульсов и влияние среды на динамику этих процессов исследованы в меньшей степени. Однако эти процессы играют важную роль в таких направлениях лазерной технологии, как импульсное лазерное легирование из предварительно нанесенного слоя легирующего вещества, а также импульсное лазерное осаждение покрытий.
Одна из основных проблем лазерного легирования из конденсированной фазы заключается в подавлении процессов интенсивного распыления легирующего вещества. Представляется важным исследование возможностей воздействия на кинетику фазового перехода при лазерном испарении в газе повышенного давления и снижение за счет этого потерь легирующего вещества. С этой точки зрения определенный интерес представляют результаты работы [9]. В ней сообщается, что при наносекундном лазерном облучении системы пленка-подложка через прозрачный для излучения слой существенно уменьшаются потери легирующего вещества, и увеличивается глубина внедрения. Авторы [9] предположили, что прозрачный слой оказывает влияние на кинетику испарения вещества пленки, однако всестороннее исследование механизма лазерного легирования в таких нетрадиционных условиях проведено не было.
Варьирование интенсивности лазерного облучения при испарении материалов позволяет изменять определенным образом параметры плазменнопарового потока частиц и воздействовать на процессы формирования тонкопленочных покрытий при конденсации такого пучка на поверхности подложки (например, [10-12]). Однако данный метод имеет существенные
6
ограничения, что заставляет исследователей искать новые способы управления параметрами пучка частиц из лазерного факела. Другой метод состоит в торможении (охлаждении) потока частиц буферным или реактивным газом [13, 14]. При разлете лазерного факела в газах различного химического состава и давления возможно не только изменение энергетических и угловых характеристик пучка, но и изменение его химического и компонентного состава. Особый интерес представляет трансформация атомарного потока в поток частиц (кластеров) с субмикро- и нанометровыми размерами, что существенно изменяет с'фуктурообразование осаждаемых тонких пленок. О получении наносгруктурированных пленок кремния с размерами кластеров до 10 нм сообщалось в [15]. Авторы провели математическое моделирование разлета факела и показали, что формирование кластеров может быть обусловлено развитием процессов конденсации в лазерном факеле. Однако в [16] предложен механизм роста нанокластеров на поверхности пленки при осаждении атомарного пучка.
Для выяснения полной картины физических процессов, протекающих при разлете лазерного факела в газе, требуются дополнительные исследования, включающие как непосредственное изучение динамики лазерного факела в газах, так и расширение круга материалов, используемых для формирования покрытий. Особый научный и практический интерес представляет проблема синтеза таких материалов (например, наносгруктурированных покрытий), которые невозможно создать традиционными методами.
Цель данной работы заключалась в экспериментальном исследовании комплекса процессов, развивающихся в приповерхностном слое материал-среда при воздействии импульсного лазерного излучения умеренной интенсивности на твердые тела в среде повышенного давления, и выявлении особенностей транспортных процессов в конденсированной и газовой фазе, обуславливающих формирование поверхностных сплавов и тонкопленочных покрытий.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
- разработка экспериментальной методики импульсной голографической
7
интерферометрии для мониторинга приповерхностных процессов в газах повышенного давления;
- исследование динамики факела и кинетики испарения материалов при воздействии лазерных импульсов в газах повышенного давления и через прозрачные покрытия;
- исследование процессов массопереноса, структуро- и фазообразования поверхностных сплавов, формируемых лазерными импульсами в газах повышенного давления и под прозрачными покрытиями;
исследование особенностей формирования тонкопленочных покрытий при разлете лазерного факела в газовой среде повышенного давления.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые проведено комплексное исследование процессов, протекающих в газовой и конденсированной фазах при импульсном лазерном облучении металлов в газовой среде повышенного давления; обнаружены новые плазменные образования и установлено их влияние, а также влияние аэрозольной фракции на развитие процессов модифицирования металлов;
впервые изучен механизм поверхностного легирования металлов наносекундными лазерными импульсами при воздействии через прозрачные покрытия, установлены особенности транспортных процессов и структурообразования метастабильных сплавов;
впервые исследовано влияние процессов конденсации лазерного факела (при разлете в буферный и реактивный газ) на структурообразование ультрадисперсных (микро- и наноструктурированных) покрытий.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов, позволяющих проводить мониторинг лазерною факела и контролировать режимы лазерной обработки в газовой среде повышенного давления; в совершенствовании метода лазерного легирования и существенном снижении потерь легирующего вещества в процессах распыления; в установлении режимов формирования новых ультрадисперсных материалов путем импульсного лазерного осаждения в газах заданного давления.
8
На защиту выносятся следующие основные положения:
- Развитие методики импульсной голографической интерферометрии позволило изучить комплекс важных физических явлений, инициированных лазерным излучением миллисекундной длительности над поверхностью материалов в газах повышенного (до 5 МПа) давления, а именно: формирование плазменных объектов, накопление и испарение аэрозоля, разлет эрозионного факела, исследовать их характеристики и установить их роль в механизме поверхностного лазерного легирования из газовой фазы.
- Экспериментально установлено, что при облучении системы пленка-подложка через прозрачное покрытие лазерными импульсами наносекундной длительности над поверхностью системы образуется область высокого давления (до 100 МПа), которая оказывает существенное влияние на развитие транспортных процессов и структурообразование метастабильных сплавов, а также вызывает дсфектообразование на относительно больших глубинах. Выявлены условия, при которых реализуется эффективный массопсрснос легирующего вещества и увеличивается глубина легирования.
- Развита физическая модель лазерного легирования, которая учитывает влияние давления на динамику лазерного распыления поверхности и предполагает увеличение энерговклада в поверхностный слой мишени в оптимальных условиях облучения. При этом изменяется динамика нагрева и охлаждения этого слоя, и, как следствие, увеличивается скорость и время развития температурно-зависимых процессов массопереноса и снижается скорость «закалки» поверхностных сплавов.
- Экспериментально установлена возможность инициирования процессов конденсации и формирования микро- и нано-размерных частиц при разлете лазерного факела в газах повышенного давления. Данные процессы изменяют условия роста тонкопленочных покрытий при их осаждении из лазерного факела и позволяют (при оптимальных давлениях газа) формировать новые структуры с улучшенными свойствами.
9
Глава 1. Физические процессы н методы их исследования при поверхностном лазерном легировании материалов и осаждении тонкопленочных покрытий из лазерного факела (Обзор литературы.
Постановка задачи исследований.)
1.1. Поверхностное легирование импульсными лазерными пучками: транспортные процессы в приповерхностных слоях, структуро-образование метастабильиых сплавов, модели процесса
Для реализации лазерного легирования на поверхность обрабатываемого материала предварительно наносится слой (пленка) легирующего вещества, а затем поверхность облучают лазерным импульсом с заданными параметрами. При воздействии лазерного пучка поверхность разогревается до температуры плавления, что, в принципе, обеспечивает смешивание вещества нанесенного слоя с материалом подложки (матрицы). При затвердевании расплава в поверхностном слое подложки формируется сплав, структурно-фазовое состояние которого определяется в первую очередь скоростью охлаждения поверхности [1-3, 5].
Развитие работ по применению данного метода для создания поверхностных сплавов самых различных элементов показало, что в общем случае в зоне лазерного воздействия развивается комплекс процессов, который не поддается простому объяснению в рамках модели смешивания двух жидкостей. Оказалось, что эффективность переноса легирующего вещества из пленки в матрицу во многом контролируется процессами «распыления» поверхностного слоя. Термин «распыление» используется в литературе по той причине, что удаление легирующего вещества из пленки не удается описать обычным поверхностным испарением (термическим распылением).
На основе опубликованных данных сложно достаточно достоверно установить механизм, определяющий потери легирующего вещества. В работах [17-22] установлено, что эффективность внедрения может иметь немонотонную зависимость от энергии лазерного импульса. При относительно низких энергиях облучения потери легирующего вещества могут достигать
10
70% (от полного количества в исходной пленке). При увеличении интенсивности потери могут заметно уменьшаться, а затем вновь возрастать. Согласно [18], количество распыленного вещества оказывается также зависящим от длины волны лазерного излучения. Исследования [19], проведенные на нескольких комбинациях пленка-подложка, показали, что из пленки в подложку в идентичных условиях лазерного облучения внедряется от 35 до 100% атомов. Так как подложки обладали во многом схожими теплофизическими характеристиками, то наблюдаемое различие эффективности внедрения авторы связали с различием теплового сопротивления границы раздела между пленкой и подложкой. Такое сопротивление может оказывать влияние на развитие температурных полей в системе пленка-подложка при лазерном воздействии.
Согласно литературным данным существует определенная возможность воздействия на развитие процессов распыления вещества пленки путем формирования многослойных пленок (покрытий). Так в [18] сообщается о снижении потерь золота при внедрении в подложку из никеля в том случае, если проводить легирование путем облучения системы ТИ-Аи-М, т.е. на пленку Аи напылить дополнительную пленку из никеля. По мнению авторов [18] дополнительная пленка из никеля изменяет оптические свойства поверхности. В случае лазерного воздействия (длина волны >.=1,06 мкм) на систему Аи-ЬН коэффициент отражения излучения претерпевает существенные изменения при плавлении пленки из Ли. Резкое падение коэффициента отражения (/?) с 0,9 до 0,5, по мнению авторов [18], обуславливает развитие процессов взрывного вскипания слоя Аи и его существенные потери. Никель лучше поглощает лазерное излучение (УМ), 5), поэтому нанесение дополнительной пленки N1 предотвращает развитие негативных процессов.
Для предотвращения интенсивного кипения поверхности при лазерном облучении системы 8п(пленка)-Ре(подложка) авторы [23, 24] предварительно наносили дополнительную пленку из хрома. При этом исследовалась динамика эрозионного лазерного факела методом скоростной фотосъемки.
)]
Облучение проводили импульсами миллисекундной длительности. Авторы [23] обнаружили два принципиально различающихся типа динамики: цилиндрические паровые спирали и периодические пульсации. Существовала определенная связь типа динамики с особенностями формирования рельефа, структуры зоны легирования и распределения элементов в этой зоне. В случае регистрации паровых спиралей в зоне легирования было обнаружено «вихревое» распределение легирующих элементов. Периодические пульсации соответствовали гомогенному распределению. Одновременно с паровой фазой факел мог содержать капельную фракцию. Варьирование толщины слоя Сг позволяло добиться заметного снижения выброса жидкой фазы, реализовать глубокое внедрение олова и его гомогенное распределение в приповерхностном слое.
В [25] предложен механизм формирования капельной фракции в лазерном факеле в случае облучения металла умеренным по интенсивности (вблизи порога испарения) импульсом. Авторы провели оценки величины ускорения, которое может приобретать расплавленный слой вследствие теплового расширения твердой фазы, а также вследствие фазового превращения на границе жидкость-твердая фаза. Было установлено, что наибольший вклад в ускорение приходится на второй процесс. Такое ускорение жидкой фазы вызывает отрыв капли от поверхности, если силы инерции превосходят силы поверхностного натяжения. Решение уравнения баланса сил, действующих на каплю полусферической формы определенного диаметра, позволяет оценить возможные размеры капель, вылетающих с облучаемой лазером поверхности.
В [25] данный механизм лазерно-индуцированного распыления поверхности идентифицирован как гидродинамический, так как формирование капель связано с движением определенного объема жидкой фазы на поверхности. Наряду с данным механизмом существует другой процесс, который может вызвать отрыв макрочастиц с лазерно-облучаемой поверхности. Этот процесс в [25] назван «шелушением», так как вылетающие
- Київ+380960830922