Морфологические особенности поверхностей объемных металлических стекол, получаемые при лазерном воздействии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 5З9.З

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕКОЛ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© А.В. Яковлев, Т.Н. Плужникова, Ю.В. Черемисина, С.В. Васильева, В.А. Федоров,

Д.А. Колесников1*, О.Н. Марадудина1'

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru ^ Центр коллективного пользования научным оборудованием Белгородского государственногого университета «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», г. Белгород, Россия

Ключевые слова: лазерное излучение; металлическое стекло; морфология; импульс; кристаллизация; зона оплавления.

Исследована морфология зон лазерного воздействия, формируемых на поверхности объемных металлических стекол.

Комплексное исследование закономерностей эволюции структуры и механических свойств объемных металлических стекол (МС), подвергнутых термической обработке, является актуальным направлением прикладных и фундаментальных исследований. Следовательно, оценка механических свойств МС в зонах локального воздействия, в частности импульсов когерентного излучения, является также практически значимой задачей, в связи с тем что лазерное излучение является одним из способов термической обработки. В работе исследованы морфологические особенности поверхностей объемных аморфных металлических сплавов [1] в зависимости от формы импульса при одинаковой средней энергии и от количества импульсов при одной и той же форме импульса. Исследования проводили на объемных МС на основе циркония и палладия. Объектами исследования служили образцы размером 2x5x4 мм систем Zr-Ti-Cu-Ni-Al (52,5% Zr) и Pd-Cu-Ni-Р (40 % Pd) соответственно. Воздействие лазерного излучения на поверхность объемных МС осуществляли с помощью лазерной установки «ЛТА-4-1» с длиной волны излучения X = 1064 нм. Воздействие лазерного излучения проводили в среде аргона. Лазерная установка позволяет получать импульсы различной формы - колокол, прямоугольник, равнобедренный треугольник, зуб - с одинаковой энергией. Длительность импульсов ~ 2-4 мс. Использовали энергию импульса 0,З5 и 0,5 Дж (Максимальная энергия импульса 2 Дж). Установка позволяет получать серии импульсов с заданной скважностью. Одна сторона образцов объемных МС для исследований была приготовлена как металлографический шлиф. Морфологические особенности поверхностей и элементный состав изучали с помощью растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D. Полученные результаты представлены на рис. 1, 2. На поверхности сплава на основе Zr происходит направленная кристаллизация. Наиболее вы-

раженная кристаллизация происходит при формах импульса колокол и прямоугольник. При других формах процесс кристаллизации не завершен. Границы зон воздействия излучения представляют собой навалы высотой ~ 2-3 мкм, что связано с оплавлением поверхности. На поверхности выделяется также зона термического влияния, частично заполненная кристаллами. Кристаллизация зоны термического влияния зависит от формы импульса. Край этой зоны превышает уровень исходной поверхности на несколько сотен нанометров. В разных точках зон воздействия для каждого импульса был определен элементный состав, на рис. 1 это отмечено цифрами 1, 2, 3, ..., 7. Из которого видно, что после действия лазерного излучения меняется процентное соотношение составляющих сплава. Точка 7 соответствует исходному составу аморфного сплава. Из сопоставления данных по составу видно, что увеличивается содержание кислорода, который 7г активно поглощает, создавая труднорастворимые окислы.

Форма зоны воздействия на поверхности палладиевого аморфного сплава практически не зависит от формы импульса. Её характерный вид представлен на рис. 2. Зона оплавления представляет собой вид «лунного» кратера, отсутствует зона термического влияния, что обусловлено высокой вязкостью сплава, препятствующей процессам кристаллизации. Уровень зоны оплавления ниже уровня исходной поверхности на величину ~ 1 мкм. Процентное изменение составляющих сплава на основе палладия практически не происходит. Сравнивая элементные составы циркониевого и палладиевого сплавов, видно, что у палладиевого практически отсутствует кислород, из химии известно, что цирконий легко вступает в соединение с кислородом, а палладий, относясь к благородным металлам, с кислородом в соединение, как правило, не вступает, что и подтверждается в данном эксперименте.

в) г)

Рис. 1. Морфология зон воздействия лазерного излучения на поверхности объемного металлического стекла на основе циркония в зависимости от формы импульса: а) колокол; б) прямоугольник; в) треугольник равнобедренный; г) зуб

а) б)

Рис. 2. Морфология зон воздействия лазерного излучения на поверхности объемного металлического стекла на основе палладия: а) колокол; б) прямоугольник

Проведены исследования по влиянию серии импульсов излучения на морфологические особенности зон воздействия. В образцах на основе циркония наблюдается увеличение степени кристаллизации, тогда как в образцах на основе палладия лишь увеличивается размер зоны.

Таким образом, морфология зон воздействия лазерного излучения зависит от состава материала, формы импульса и количества импульсов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковнеристый Ю.К Объемно-аморфизующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999. 80 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: 1. Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием Белгородского

государственного университета «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».

2. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-01-97514 р_центр_а).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Yakovlev A.V., Pluzhnikova T.N., Cheremisina Yu.V., Vasilyeva S.V., Fedorov V.A., Kolesnikov D.A., Maradudina O.N. The morphological features of surfaces of the volumetric metallic glasses, received at laser influence.

The morphology of zones of laser influence formed on a surface of volumetric metallic glasses is investigated.

Key words: laser emission; metallic glass; morphology; impulse; crystallization; heating area.