Исследование процессов трансформации функциональных свойств конструкционных материалов элементов оптоэлектронного приборостроения в интенсивных пучках жесткого электромагнитного излучения

Исследования поддержаны грантом РФФИ 16-08-01226. Получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ на составные элементы разработанного комплекса.

Достижения и прогресс в различных областях современной науки и техники связаны с применением передовых технологий и совершенствованием аппаратно-программных средств контроля и управления производством. Возможности модернизации технических средств предопределяются развитием конструкторско-технологических методов проектирования изделий, внедрением прогрессивных технологических процессов обработки материалов, разработкой и применением автоматизированных систем контроля, обработки и испытания. Кроме того, обеспечение высоких качественных характеристик аппаратных средств систем автоматизации и управления, в том числе, авиационного и космического приборостроения, в значительной мере базируется на достижениях в области точного машиностроения, мехатроники, специального аппаратостроения, цифровой микросхемотехники и оптоэлектроники.

Освоение достижений мехатроники, оптоэлектроники и методов цифровой обработки информации в составе средств современного авиаприборостроения способствовало ужесточению требований к физическим свойствам конструкционных материалов, структурному совершенствованию материалов оптики и деталей точной механики, унификации схем конструкторско-технологического построения мехатронных и оптоэлектронных устройств, выразившемся в применении элементов оптики с неоднородными в объеме структуры оптическими свойствами и характеристиками, а также малогабаритных высоконагруженных деталей меха-низмов с альтернативными, - по обособленным поверхностям, - физико-механическими свойствами.

Локализация оптических свойств

Особенностью современного этапа развития техники и технологии, является возрастающая роль достоверной обработки информации. Такие задачи, как управление подвижными авиационными, космическими, высокоскоростными железнодорожными транспортными и стационарными промышленными объектами, а также обработка изображений, распознавание образов, моделирование ситуаций, принятие решений, проблемы робототехники и многие другие, характеризуются большими объемами перерабатываемой информации и сложными законами ее преобразования. Обработка потоков информации осуществляется в ряде случаев в условиях сложной помеховой обстановки и внешних возмущающих воздействий естественного и искусственного происхождения различной интенсивности, таких, например, как электрические и электромагнитные поля и излучения Земли и атмосферы, средств радиолокации и радиопеленгации, высоковольтных линий электропередачи, факторов космического пространства, ионизирующих излучений средств вооружения и радиоэлектронного противодействия, ядерных энергоустановок и реакторов, поражающих факторов ядерного взрыва и др. При этом проникающие электромагнитные излучения непосредственно дестабилизируют работу и свойства, как материала полупроводниковых кристаллов, так и приводят к деградации параметров и характеристик материалов оптики.

Высокая проникающая способность квантов электромагнитной энергии лазерного, рентгеновского и гамма-излучения требует принятия мер для повышения радиационной стойкости материалов и устойчивости функционирования цифровых электронных и оптоэлектронных вычислительных устройств автоматики систем управления объектами авиационной, космической, оборонной техники и промышленной электроники, а также компьютеризированных контрольно-измерительных средств приборостроения. Этим, прежде всего, предопределяется необходимость разработки новых методов и средств контроля, исследования и обеспечения физических свойств конструкционных материалов в целях повышения устойчивости функционирования компьютеризированных контрольно-измерительных устройств.

В условиях преобразования больших объемов информации при подобного рода внешних воздействиях проявляются потенциальные преимущества оптических вычислительных устройств перед полупроводниковыми микроэлектронными, а именно, присущая оптике доступность параллельной передачи и обработки информации и возможность реализации помехоустойчивых к электромагнитным излучениям оптических межсоединений – оптических волноводов (ОВ) и цепей. Другими словами, применение оптических каналов связи предопределяет возможность повышения устойчивости информационных сигналов к электрическим и электромагнитным внешним и внутренним воздействиям. Существенно, также, что оптические частоты информационных сигналов обеспечивают значительно более широкую полосу пропускания каналов связи и, соответственно, предельно более высокое допустимое быстродействие по сравнению с радиочастотным диапазоном. Таким образом, следует заключить, что для обеспечения устойчивости компьютеризированных контрольно-измерительных приборов к электрическим и электромагнитным воздействиям в ряде случаев необходимо переходить к по-строению линий связи на основе оптических межсоединений и осуществлять их непосредственное формирование в приповерхностных слоях и/или в объеме материала стеклянных подложек гибридных микросборок и других подобных функциональных узлов.

Разработка метода радиационно-лазерного формирования ОВ включает в себя определение математических моделей интегрально - оптических структур и зависимости их волноводных свойств от параметров технологического процесса, а также разработку алгоритма процесса формирования ОВ в виде необходимой последовательности технологических операций. Основой всех методов изготовления интегральных ОВ является создание эффективных условий для возникновения полного внутреннего отражения на границах “ОВ - подложка”, т.е. формирование локальных градиентов показателя преломления (ПП).

Различные типы радиационных центров окраски (РЦО), возникающих, например, при воздействии интенсивного гамма-излучения, на микроуровне представляют собой дефекты ближнего порядка структуры стекла: кислородно-дефицитные центры; примесные атомы (особенно-щелочные металлы и замещающий Al); промежуточные ионы кислорода и т.п.

Стабильность физической природы каждого типа РЦО обусловлена наличием в решетке стекла дефектов соответствующего вида и подтверждается совпадением многочисленных экспериментальных данных. Поляризуемость каждого типа РЦО (зависящая только от общего объема атомов и молекул, составляющих данный дефект) не зависит ни от концентрации центров, ни от внешних факторов. Таким образом, в соответствии с выражением (1), изменение ПП радиационно тонированного стекла может осуществляться только путем изменения концентрации РЦО.

Центры окраски, представляющие собой уровни - ловушки в запрещенной зоне диэлектрика, разрушаются при поглощении локализованными на них носителями заряда энергии, превышающей энергию их активации. Эта энергия может быть передана центру либо температурным полем, либо внешним проникающим излучением. Поскольку процессы, связанные с тепловым отсвечиванием РЦО не обеспечивают создание локальных градиентов концентрации РЦО (ввиду конечного значения теплопроводности стекла), изменение концентрации центров в ограниченной области может быть осуществлено только воздействием проникающего лазерного излучения (ЛИ). В частности, для стекол, не имеющих короткоживущей компоненты окраски, проникающее ЛИ является единственно возможным источником энергии, достаточной для освобождения носителей заряда. Максимумы концентрации соответствуют различным типам РЦО. Из анализа зависимостей следует, что энергия активации наиболее “глубоких” РЦО не превышает 0.8 эВ.

Таким образом, основой метода последовательного формирования ОВ в объеме монолитной стеклянной подложки является управляемое лазерно-индуцированное фотоотсвечивание РЦО, возникших в стекле в результате воз-действия интенсивного жесткого электромагнитного излучения.

Для точного определения ПП стекла по выражению (1) необходимо знать величины для каждого типа центров. Однако в технологических условиях невозможно точное определение всех характеристик РЦО. Для приближенных расчетов можно воспользоваться физическим смыслом вероятности фоторазрушения РЦО, как вероятности поглощения носителем заряда, локализованным на центре, энергии, превышающей его энергию активации. Поскольку поглощение энергии фотона может быть следствием только фотоэффекта, вероятность его пропорциональна числу локализованных на дефекте носителей заряда (то есть, чаще всего, 1 или 2) и при высоких интенсивностях ЛИ для различных типов РЦО будет отличаться не более чем в 2 раза.

Таким образом, при радиационном тонировании и последующем лазерном отсвечивании РЦО происходит изменение ПП стекла на величину 1%. Погрешность в определении ПП, обусловленная принятым допущением о равенстве вероятности фотоотсвечивания РЦО различных типов, не превышает 0.35 %. Следовательно, при использовании радиационно-лазерных технологий обеспечиваются необходимые условия для формирования в объеме стекла как одно-, так и многомодовых световодов.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований объемной и локальной обратимой и необратимой деградации оптических свойств стеклянных конструкционных материалов при облучении интенсивными пучками жесткого ЛИ разработаны технологические процессы обработки и изготовления как оптоэлектронных микросборок с высокой устойчивостью информационных сигналов, так и оптоэлектронных средств контроля микродеформации поверхности опасных объектов авиационного и космического бортового оборудования, обладающие патентной новизной и чистотой.

Следует отметить, что стационарному размещению на поверхности контролируемого оборудования авиационного, космического или промышленного объекта подлежит лишь стеклянный датчик с локализованным ОВ, в то время как прочие контрольно-измерительные средства подключаются к датчику контроля микродеформации поверхности в соответствие с требованиями протокола периодического контроля объекта.

Локализация физико-механических свойств

Уникальные эксплуатационные характеристики современного лазерного оборудования, и, прежде всего, фактическая безынерционность смещения светового пятна рабочего пучка и высокая оперативность управления режимами лазерной обработки предопределяют возможность комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, что исключительно актуально при организации обработки партии малогабаритных деталей. Например, для придания специальных физико-механических свойств элементам поверхности соприкасающихся деталей кинематических пар в составе несущих конструкций и механизмов, таких как опоры, тяги, приводы, зубчатые колеса, шестерни, валы и оси редукторов, механизмов настройки и управления, гироскопов, двигателей и прочих механических устройств, применяются методы локальной термообработки металла пучками высокой энергии. Лазерная закалка повышает твердость и износостойкость поверхности деталей, сохраняет упругие свойства глубинных слоев металла, однако приводит к возникновению значительных внутренних остаточных напряжений, возрастанию хрупкости материала, его растрескиванию, короблению и, как следствие, отслаиванию окислов, загрязнений и окалины, которые в ходе циклического выполнения технологической операции накапливаются в составе омывающей закалочной жидкости, снижают эффективность лазерной термообработки и, как следствие, подлежат удалению (микрофильтрации).

К числу особых производственных проблем лазерной термообработки крупной партии малогабаритных стальных деталей, испытывающих при эксплуатации значительные локальные механические нагрузки, следует отнести трудности, возникающие при закалке обособленных участков поверхности деталей, соизмеримых с размерами светового пятна ЛИ. Указанные проблемы решены на уровне изобретения на примере термообработки малогабаритных деталей, предназначенных для высокоскоростных механизмов технологического оборудования обогащения урана.

В технологических процессах обогащения урана широко используются газовые центрифуги, обеспечивающие отбор тяжелой и легкой газовых фракций из полого ротора, вращающегося вокруг своей продольной оси со скоростью до 150 тыс. оборотов в минуту с центробежным ускорением до 500 тыс. g. Конструкция ротора центрифуги высотой до 1200 мм вертикально подвешена в магнитном поле, но касается плоской опорной сапфировой площадки посредством выпуклой сферической торцевой поверхности цилиндрической стальной иглы диаметром 1,15 мм и длиной 30 мм, радиус опорной сферы 2,8 мм. При получении изотопов в промышленных масштабах в цехе безостановочно одновременно функционируют (вращаются) несколько десятков тысяч высокоскоростных центрифуг, ротор каждой из которых оснащен малогабаритной стальной опорной иглой.

Разрушение опорной иглы приводит к вынужденным длительным простоям дорогостоящего оборудования, - время остановки-разгона ротора исчисляется десятками часов. Причина разрушения состоит в том, что в процессе выхода ротора на рабочие режимы вращения опорная игла неоднократно испытывает воздействие значительных поперечных силовых изгибающих нагрузок вследствие развития многократных резонансных явлений в конструкции механизма вращения. При этом торцевая поверхность опорной иглы, касающаяся сапфира, испытывает незначительную вертикальную механическую нагрузку, но подвергается воздействию сил трения из-за высокоскоростного вращения ротора и периодического горизонтального колебательного смещения (биения) точки опоры по поверхности подпятника. Во избежание разрушения иглы при эксплуатации необходимо обеспечить при закалке сохранение упругих свойств металла вдоль продольной оси иглы, но придать высокую твердость и износостойкость, - для сопротивления усталостному, абразивному и адгезионному износу, - исключительно опорной торцевой поверхности. Поверхность контакта стальной иглы с подпятником должна обладать высокими триботехническими показателями.

Современные лазерные технологии характеризуются высокой пространственной локализацией в рабочем пучке энергии импульсного излучения, исключительной непродолжительностью воздействия рабочего пучка ЛИ на материал, предопределяют возможность пространственной локализацию тепловых процессов в материале, бесконтактность термообработки и возможность строгой дозировки энергии поглощения. Все это обеспечивает реализацию различных видов термообработки металла, меняя энергетические характеристики ЛИ.

В конструкции разработанного впервые стенда предусмотрено размещение механизмов управления системой оптической фокусировки ЛИ на торцевой поверхности закаливаемой иглы, подачи и приема изделий, формирования замкнутого ламинарного потока омывающей охлаждающей закалочной жидкости, микрофильтрации потока. Всеми частями стенда управляет компьютеризированный блок 2, обеспечивающий полную автоматизацию процесса.

В состав конструкции механизма отслеживания и фокусировки ЛИ входит подвижный телескоп, допускающий оперативное определение размеров иглы и фокусировку лазерного луча до диаметра опорной поверхности иглы.

Основным объектом автоматизации являются механизмы слежения и фокусировки светового пятна ЛИ на поверхности иглы. Кроме того, автоматизации подлежат процедуры функционирования исполнительных механизмов подачи игл в позицию термообработки, средств фильтрации и формирования ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости. Для этого разработаны: алгоритм управления стендом; структурная схема системы микрофильтрации закалочной жидкости; алгоритм управления системой; схема двусторонней лазерной закалки опорных торцевых поверхностей осей и валов и алгоритм управления стендом двусторонней закалки.

Для установления режимов лазерной обработки обособленных поверхностей малогабаритных деталей выполнено моделирование процесса распространения в материале изделия теплового поля, инициированного импульсным воздействием энергии светового пятна ЛИ, с учетом параметров и характеристик внешней окружающей среды. При этом требуемые структура стали и триботехнические свойства поверхности металла предопределяются характером распределения температуры в зоне упрочнения в соответствии с диаграммой железо-углерод.

Для подтверждения адекватности математического моделирования инициированных ЛИ тепловых процессов в игле (при определении параметров режима лазерной термообработки малогабаритного изделия, соизмеримого с размерами светового пятна ЛИ) проведено экспериментальное исследование процесса лазерной закалки обособленной торцевой поверхности иглы при реализации на практике принципа охлаждения воздушным и водяным потоками. Обработка экспериментальных образцов малогабаритного изделия выполнена методами продольного микрошлифования иглы и скрайбирования. На микрошлифах видно отсутствие явления оплавления поверхности изделия и, что глубина закаленного слоя 0,226 мм при охлаждении образцов воздушным потоком существенно превосходит глубину слоя закалки 0,120 мм при охлаждении поверхности закалочной жидкостью.

Таким образом, особенности структурообразования металлов при лазерной термообработке с высокими скоростями нагрева и охлаждения обеспечивают возможность формирование различных эксплуатационных свойств стали и сплавов. Например, изменение структуры мартенсита приводит к увеличению микротвердости. Для сталей с большим содержанием углерода происходит плавное увеличение микротвердости при увеличении скорости охлаждения. Причина повышения твердости состоит в том, что при сверхбыстром охлаждении затруднен самоотпуск мартенсита, вследствие чего он имеет высокую степень тетрагональности.

Специфика лазерного термического воздействия также оказывает влияние и на износостойкость сталей. Высокая прочность обработанных излучением лазера поверхностей стали в сильной степени ограничивает развитие процессов схватывания, которые интенсивно протекают на неупрочненных участках. Проведенные исследования показывают, что износостойкость низкоуглеродистых сталей, обработанных лазером без оплавления поверхности, существенно выше, чем при обработке с оплавлением, и зависит от доли, возникающей при этом высокопрочной мартенситной составляющей структуры. Изнашивание мартенситных участков носит преимущественно усталостный характер. Повышение абразивной износостойкости обусловлено ростом твердости стали после лазерной обработки, в результате чего ограничивается развитие процессов пластического оттеснения и микрорезания, являющихся основными механизмами разрушения в условиях абразивного изнашивания.

Зависимость скорости роста кристаллов и зарождения центров кристаллизации показывает, что если достичь переохлаждения, при котором скорость роста и зарождения центров кристаллизации становятся равными нулю, то обеспечивается формирование переохлажденного жидкого (аморфного) состояния. У металлов такое переохлаждение можно получить, если скорость охлаждения будет оцениваться величиной более 106 – 107 ºС/с. В настоящее время подбором параметров лазерных технологий достигаются подобные скорости охлаждения. Атомы металлов при таком структурном состоянии не расположены в определённом порядке - зерен-кристаллов нет, имеется лишь ближний порядок.

Сплавы в аморфном состоянии обладают высокой твёрдостью, пластичность не сопровождается скольжением или двойникованием, а имеет характер вязкого затрудненного течения. Металл полностью изотропен, физико-механические свойства в различных направлениях равноценны. Данное обстоятельство предопределяет возможности эффективного применения аморфных сплавов в аэрокосмичеком приборостроении, так как повышение износостойкости соприкасающихся рабочих поверхностей может быть достигнуто комбинированием характеристик термического лазерного воздействия и управлением протекающих при этом процессов.