Результаты и обсуждение спеченных образцов из нитрида титана

На рис. 6 представлена зависимость глубины спекания монослоя от скорости сканирования лазерного луча. Исследования показали, что при мощности лазерного излучения P<11 Вт спеченные образцы рассыпаются при прикосновении, а при увеличении мощности свыше 20 Вт поверхность образца начинает деформироваться или происходит возгорание порошка, то есть процесс спекания выходит из-под контроля. Известно, что реакция синтеза нитрида титана является экзотермической [7], поэтому необходим выбор такого режима лазерного воздействия, который обеспечивает управляемый характер протекания реакции SALDVI фазы TiN. В результате наших экспериментов было установлено, что оптимальная мощность лазерного воздействия составляет от 15 до 19 Вт при скорости сканирования лазерного луча от 1 до 3 см/с.

Рис. 6. Оптимизация режимов СЛС монослоев TiN.

Металлографические исследования поверхности образцов позволили оценить размер спеченных частиц при помощи формул.

где n — суммарное количество частиц в выделенной области; р — число целых частиц; q—число половин частиц; F — площадь одной частицы; М — увеличение; S — площадь выделенной области; R — размер одной частицы. Зависимость размера коагулированных капель от мощности лазерного воздействия представлена на рис. 7. При постоянной скорости сканирования увеличение мощности лазерного воздействия приводит к росту пористости монослоев и увеличению размеров спеченных частиц. Капли расплава «выстраиваются» в линию по направлению перемещения лазерного луча. Подобное упорядочение наблюдалось и при лазерном спекании порошка титана в среде аргона, что объяснялось в рамках фрактального формализма [7].

Рис. 8. Фрагменты рентгенограмм для образцов № 1 (а) и № 2 (б).

Фрагменты дифрактограмм образов, спеченных при различных скоростях сканирования лазерного луча, представлены на рис. 8. В образце № 1, спеченном при Р=15,7 Вт и v=1,9 см/с, были зафиксированы линии нитрида титана (111), (200) и (220) с межплоскостными расстояниями 2,427; 2,107 и 1,490Е, что согласуется с табличными данными по межплоскостным расстояниям для нитрида титана. Зафиксированы также линии б-Ti (002), (101), (103) с межплоскостными расстояниями 2,312; 2,253 и 1,334 Е, совпадающие с табличными данными для б-Ti. В образце № 2 (v=2,9 см/с) также зафиксированы линии нитрида титана (111), (200) и (220) с межплоскостными расстояниями 2,32; 2,117, 1,495 А и линии б-Ti (002), (101), (110) с межплоскостными расстояниями 2,321; 2,261 и 2,110 Е. На рис. 7 также представлена зависимость интенсивности фазы TiN от мощности лазерного воздействия. Как видно, интенсивность фазы растет с увеличением энерговклада от лазерного источника.

Из данных рентгеноструктурного анализа следует, что параметр кристаллической решетки образцов нитрида титана, спеченных в среде азота, уменьшается при увеличении мощности лазерного воздействия (рис.7). Известно, что монолитный мононитрид титана TiN имеет кубическую сингонию и гранецентрированную решетку типа NaCl с параметрами а=4,23 А, в то время как субнитрид титана Ti₃N имеет тетрагональную сингонию (а=4,92 Е, с=5,61 Е). лазерный селективный спекание титанат Следует заметить, что полученные на основании косвенных данных зависимости интенсивности и параметра решетки фазы TiN от мощности лазерного излучения (рис.7) имеют достаточно высокую экспериментальную погрешность и требуют уточнения, хотя установленные тенденции, по-видимому, верны.

Спекание монослоев при оптимальных режимах лазерной обработки позволяет осуществлять послойный синтез объемных изделий. На рис. 9 представлен внешний вид однородных и неоднородных (анизотропных) по высоте образцов. В образце, показанном на рис.4 В, неоднородность создавалась за счет изменения высоты приращения Дh: в первых 10 слоях Дh=300 мкм, в следующих 8 слоях Д h= =240 мкм, и в последних 6 слоях Дh=180 мкм.

Среднее удельное электросопротивление образца, спеченного при оптимальной скорости сканирования лазерного луча v=1,9 см/с, составило 0,321±0,03 Ом-см, а его плотность — 1,695 г/см³. Образец, спеченный при скорости сканирования v=2,8 см/с, имеет плотность 1,620 г/см³, а его удельное электросопротивление равно 0,220±0,06 Ом· см. Таким образом, из полученных результатов видно, что с увеличением скорости сканирования удельное электросопротивление и плотность однородных образцов уменьшаются. Для сравнения: удельное электросопротивление монолитного нитрида титана равно 25 мкОм· см [7], то есть на четыре порядка меньше, чем для спеченных пористых образцов, а плотность монолитного нитрида титана составляет 5,21 г/см³, что почти в три раза выше, чем плотность пористого нитрида титана.

Рис. 9. Фотографии спеченных при Р=15,7 и v=2,9 см/с образцов, диаметр лазерного пятна d_n=50 мкм: a — однородный образец, постоянная высота приращения слоев Дh=240 мкм; б — однородные спеченные образцы для исследования механических характеристик; в — неоднородный спеченный образец.

Механические испытания методом трехточечного изгиба пластинчатых образов (рис.9б) показали, что предел прочности спеченных образцов составляет о~29,9 МПа. Так как предел прочности монолитного нитрида титана равен 260 МПа, был сделан вывод, что снижение предела прочности почти на порядок величины связано с высокой пористостью спеченных образцов. По результатам механических испытаний методом трехточечного изгиба можно оценить величину модуля Юнга E:

где д — величина прогиба образца при трехточечном изгибе; l—расстояние между опорами; a — ширина образца; F — приложенная сила. Было получено, что среднее значение модуля Юнга спеченных образцов составляет —17,5 ГПа, тогда как для монолитного нитрида титана E?440 ГПа, то есть более чем на порядок выше.

Измерения плотности и удельного электросопротивления проводились и на синтезированных послойно неоднородных (градиентных) образцах, что позволило определить изменение этих параметров по высоте образцов. Плотность образцов измерялась методом Архимеда, после чего образцы высушивали на воздухе и измеряли их удельное электросопротивление. Затем образцы стачивали на наждачной бумаге и повторяли измерения на образцах меньшей высоты. Эти операции производились до полного стачивания образцов.

На рис. 10 и 11 представлены графики распределения плотности и удельного электросопротивления неоднородных (градиентных) образцов по их высоте. Как видно, максимальная плотность наблюдается у основания образцов (рис.5), то есть в менее пористых слоях, тогда как удельное электросопротивление уменьшается с уменьшением высоты образцов (рис.6).

Рис. 10. Зависимость плотности от высоты образца при мощности лазерного излучения Р=15,7 Вт: 1 — v=1,9 см/c; 2 — v=2,8 см/с.

Рис. 11. Зависимость удельного электросопротивления от высоты образца, спеченного при мощности лазерного излучения Р =15,7 Вт: 1 — v = 1,9 см/c; 2 — v=2,8 см/с.