Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения

Кузнецов, Петр Михайлович

Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кузнецов, Петр Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Тамбов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения»

Автореферат диссертации на тему "Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения"

005548983

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Петр Михайлович

МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОГО ФАКЕЛА И ВОЛНОВОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.07-Физикаконденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г г пай ¿ой

Белгород-2014

005548983

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Федоров Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

Нечаев Владимир Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», профессор кафедры математики

Ведущая организация:

Иванов Владимир Михайлович, кандидат физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры электроэнергетики

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 16 — на заседании диссертационного совета Д 212.015.04 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» адрес: 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85, e-mail: D212.015.04@bsu.edu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» по адресу: 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85, https://www.bsu.edu.ru.

Автореферат разослан «23» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Беленко В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание оптических квантовых генераторов в 50-х годах прошлого столетия позволило произвести гигантский рывок в исследованиях во многих областях различных наук (физика, химия, астрономия, информатика и т.д.). Уникальные свойства лазерного излучения такие как: поляризация, когерентность, а также возможность получения высокой энергетической плотности излучения открывают широкие перспективы для использования лазерного излучения в различных отраслях промышленности.

Высокие требования к надежности и долговечности в авиа-, судо-, автомобилестроении к конструкционным материалам ставят задачи повышения производительности и качества в металлообработке деталей. Благодаря современным наукоемким технологиям появилась возможность получать материалы с заданными физическими свойствами. Например, поверхностное упрочнение металла - лазерным излучением приводит к значительному увеличению ресурса службы элементов различных механизмов. Лазерное 30-прототипирование позволяет получать детали со сложной топологией. Такие детали широко применяются в машиностроении. Создание поверхностей с заданными физическими свойствами требует новых подходов к поставленной задаче. С этой целью разрабатываются новые программные средства контроля качества лазерной обработки, а также бесконтактные измерительные системы. Применение указанных средств к исследованию поверхности обрабатываемых мишеней, приводит к новым технологическим рекомендациям при обработке лазерным излучением поверхности различных металлических материалов.

Исследования в области наукоемких технологий обеспечивают энергетическую эффективность при обработке поверхности различных материалов лазерным излучением. Это приводит к улучшению экономических показателей в соответствующих отраслях промышленности.

Цель работы. Исследование механизмов формирования волнового рельефа на поверхности металлов и закономерностей эволюции эрозионного факела в зоне воздействия когерентного излучения с различной плотностью мощности.

В соответствие с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Установить временную форму эрозионного факела по сигналу фотоэдс и определить ее зависимость от плотности мощности лазерного излучения; определить амплитудно-частотные и частотно-временные характеристики свечения эрозионного факела и установить их связь с протекающими на поверхности металла процессами;

2. Методами нелинейных динамических систем провести анализ колебаний сигнала фотоэдс, создаваемого свечением эрозионного факела в зависимости от плотности мощности лазерного излучения;

3. Установить топологические особенности поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения в зависимости от плотности мощности излучения, температуры кипения расплава и состояния поверхности;

4. Экспериментально и компьютерным моделированием установить механизмы и закономерности гидродинамических процессов, протекающих в области воздействия лазерного излучения и их роль в формировании зоны расплава;

5. Определить характеристики пространственного развития (пространственный инкремент, волновое число) термокапиллярной неустойчивости в зависимости от плотности мощности излучения.

Научная новизна.

• Показано, что временная форма эрозионного факела связана со временем достижения температуры кипения поверхности металла, обусловленного плотностью мощности лазерного излучения. При высокой плотности мощности в сигнале присутствуют высокоамплитудные низкочастотные колебания свечения эрозионного факела, при уменьшении плотности мощности преобладает низкоамплитудная высокочастотная составляющая колебаний свечения эрозионного факела;

•Установлены амплитудно-частотные и частотно-временные характеристики свечения факела. Показана их зависимость от процессов, протекающих на поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения: горение микрокапель расплава, горение поверхности;

• Методами нелинейных динамических систем показано, что в результате облучения поверхности металла высокими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс, регистрируемого свечения эрозионного факела, является квазипериодическим, возникающим на фоне стохастического, при облучении низкими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс имеет сплошной фурье-спектр и спадающую автокорреляционную функцию, что характеризует его как стохастический;

• Впервые показано существование в области лазерного воздействия различных пространственных зон развития термокапиллярной неустойчивости: зоны стабилизации поверхности, зоны экспоненциального роста волн, зоны нелинейного развития волн, проявление которых связано, с состоянием поверхности и температурой кипения расплава;

• Установлена корреляция между пространственным инкрементом квазипериодического рельефа и временем достижения температуры кипения на поверхности металла. Пространственное развитие термокапиллярной неустойчивости, при облучении мишени высокой плотностью мощности лазерного излучения, происходит значительно эффективнее, чем при облучении низкими интенсивностями лазерного излучения, что свидетельствует об увеличении поверхностного массопереноса;

•Установлено, что присутствие органического покрытия на необлучаемой поверхности термически тонкой пластины приводит к уменьшению пространственного инкремента, формирующегося на ней рельефа, и

насыщению термокапиллярной неустойчивости, вследствие интенсивного воздействия на расплав продуктов горения, вызывающего также увеличение зоны стабилизации поверхности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности временной эволюции эрозионного факела, возникающего в момент воздействия лазерного излучения с различной плотностью мощности на металлическую поверхность; установленные амплитудно-частотные и частотно-временные закономерности колебаний эрозионного факела, и их связь с процессами, протекающими на поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения;

2. Роль плотности мощности лазерного излучения в процессе перехода от квазипериодических колебаний свечения эрозионного факела к стохастическим колебаниям;

3. Закономерности формирования различных зон пространственного развития рельефа поверхности металла (зоны стабилизации, экспоненциального роста и нелинейного роста волн) в области воздействия лазерного излучения в зависимости от плотности мощности и состояния поверхности;

4. Механизмы и закономерности процессов, протекающих в области воздействия лазерного излучения, которые обусловлены конвекцией, силами плавучести и Марангони и роль этих процессов в формировании зоны расплава;

5. Результаты исследования пространственных характеристик термокапиллярной неустойчивости (пространственного инкремента и волнового числа) в зависимости от плотности мощности излучения.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы в качестве технологических рекомендаций в процессе легирования лазерным излучением разнородных металлов, а также для повышения качества лазерной обработки металлических поверхностей. Полученные в работе результаты, могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов «Взаимодействие излучения с веществом», «Гидродинамика», а так же могут служить дополнением к теории устойчивости гидродинамических течений.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертация соответствует требованиям паспорта специальности 01.04.07 - Физика конденсированного состояния: п. 4. Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, •высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ; п. 6. Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами (физико-математические науки).

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: V, VI Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ (Москва, 2010, 2012); Всероссийская конференция студентов, аспирантов и

молодых ученых по физике (Владивосток, 2010, 2012); XIV-Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 2010); 17 Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2011); V Международная школа «Физическое материаловедение» и VI Всероссийская молодежная научная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении» (Белгород, 2011); Международная конференция «Вторые московские чтения по проблемам прочности материалов» (Черноголовка, 2011); 51, 53 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина, 2011; Витебск, Беларусь, 2012); XVIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012); Международная конференция «XX Петербургские чтения по проблемам прочности» (Санкт-Петербург, 2012); Третья Международная научная конференция «Химическая термодинамика и кинетика» (Великий Новгород, 2013); VIII Международная научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2012); VII Международная конференция «Микромеханизмы пластичности разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2013).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 39 работах, 14 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. В опубликованных в соавторстве работах автор принимал участие в планировании и проведении экспериментов, обсуждении результатов, написании статей и подготовке докладов.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Минобрнауки РФ(№ 1.691.2011) и поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (проект № 12-01-97519_р_центр_а).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 177 наименований, содержит 132 страницы текста, включая 51 рисунок. 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного • исследования, сформулированы цель и основные задачи работы, практическая значимость полученных результатов, научная новизна, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ литературных данных по теме диссертации.

Рассмотрены гидродинамические неустойчивости, возникающие при различных видах воздействий на конденсированные среды, сделан краткий анализ работ по механизмам формирования эрозионного факела и горения

поверхности, а также формирования рельефа кратера после воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность.

Вторая глава посвящена установлению амплитудно-частотных и частотно-временных характеристик свечения эрозионного факела, формирующегося при воздействии лазерного излучения на металлическую поверхность, и установлению механизмов формирования эрозионного факела.

В работе использовали пластины ОЦК сплава Fe-Si (массовая доля Si = 3,4 %) с размерами 30x15x0,27 мм, а также монокристаллы W и Мо в виде цилиндрических пластин 20x1 мм. Облучали образцы на установке JITA-4-1 с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната легированного неодимом (X = 1,064 мкм). Воздействие на образец проводили одним импульсом прямоугольной формы, энергия варьировалась в диапазоне 0,8 ± 0,1 Дж; 2 ± 0,1 Дж и 3 ± 0,1 Дж, время воздействия для каждой энергии в импульсе не изменялось и составляло 3 мс. Регистрацию свечения эрозионного факела проводили фотоэлементами Ф-14, как с облучаемой стороны, так и с необлучаемой стороны пластины. С целью варьирования плотности мощности лазерного излучения при постоянном времени воздействия и постоянной энергии в пучке использовали каустику (огибающую) падающего лазерного пучка. Наиболее широкий диапазон интенсивностей позволяет получить каустика для энергии 3 ± 0,1 Дж, которую в дальнейшем использовали в экспериментах.

В первой части главы исследовали сигналы фотоэдс, полученные с

облучаемой стороны пластины

Плотность Расстояние

мощности от фокуса

I-3,28 I0;Btcm J 1,5 MU

IO.BTCM. 2.5 ММ

10. Нт-см'; 3,0 мм

10 Вт-см" 3.5 ми

!0' Вт-см" 4,5 мм

(рис. 1) для различных плотностей мощности лазерного излучения. На зависимостях 1 и 2 свечение эрозионного факела скачком возрастает сразу после воздействия импульса лазерного излучения. Отмечено, что в сигнале присутствуют высокоамплитудные колебания фотоэдс. При уменьшении плотности мощности (зависимости 3-5), свечение эрозионного факела достигает максимума через некоторое время, причем в сигналах отсутствуют высокоамплитудные колебания. Время появления высокоамплитудных колебаний фотоэдс (на рис. 1 стрелки на зависимостях 1 и 2) и время достижения максимально значения фотоэдс (на рис. 1 стрелки на зависимостях 3-5) связаны с кипением поверхности и ее горением. Это вытекает из сопоставления зависимостей: экспериментально измеренного времени достижения температуры кипения от плотности мощности (рис. 2 зависимость 1, эту зависимость интерполировали функцией

2 3 4 5 6 Время, I (мс)

Рис. 1. Зависимости абсолютного значения напряжения на фотоэлементе от времени при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si, для прямоугольной временной формы импульса с различной плотностью мощности.

2,8х1<Г3

2,1x10"

1,4x10

7,0x10

0.0

вида / = а/,,.к, где а — числовой множитель,' Ъ - показатель степени равный 2,5 "сп / (г

с коэффициентом достоверности Л2 = 0,92) и рассчитанного времени (рис. 2 зависимость 2), между началом воздействия лазерного излучения и началом

кипения, по формуле [1]: С- = 1 -Т„):, (1) где К - теплопроводность,

V. 4РГ )

с - удельная теплоемкость, р — плотность, и IV— плотность мощности лазерного излучения, Ткип - температура испарения, Т0 - начальная температура. Как следует из интерполяции экспериментальных данных (рис. 2) степенной функцией, ее показатель близок к показателю плотности мощности (интенсивности) в формуле (1).

Во второй части главы для изучения амплитудно-частотных характеристик сигналы фотоэдс разлагали в спектр Фурье. Полученные спектры имеют сложный характер и дискретный набор частот. При уменьшении интенсивности лазерного излучения спектр переходит из дискретного в непрерывный. В спектрах

встречаются гармоники вида: ут=пу1±п7у1±...±п1ук, (2) где п -действительное число, т, к — целое неотрицательное число (0, 1, 2, ...).

Дополнительную информацию о сигналах фотоэдс позволяют получить фазовые портреты в восстановленном фазовом пространстве. Фазовые портреты представляют собой траектории динамической системы, притягивающиеся к нескольким центрам (аттракторам). Это говорит о том, что в исследуемой динамической системе присутствуют квазипериодические колебания. Фазовые траектории спектров, полученных при облучении малой плотностью мощности, содержат отрезок притяжения. Подобный вид фазовых траекторий свидетельствует о наличии в исследуемых сигналах фотоэдс стохастических колебаний. Одной из характеристик фазовых портретов является их фрактальная размерность, которая характеризует детерминированность системы. Дробная размерность также означает, что в сигналах присутствуют стохастические колебания. Скорость разбегания орбит аттрактора из некоторого объема фазового пространства характеризует показатель Ляпунова Его положительные значения также указывают на то, что исследуемый сигнал является стохастическим. Изложенное позволяет сделать вывод, что колебания свечения эрозионного факела при высоких плотностях мощности лазерного излучения являются квазипериодическими, но дробная фрактальная размерность фазового портрета и положительные значения

1,4x10' 2,1x10' 2,8x10' 3,5x10' Интенсивность. \У (Вт-см"3) Рис. 2. Зависимость времени начала кипения от плотности мощности: 1 - экспериментальная кривая; 2 - расчет по формуле (1).

показателей Ляпунова говорят о том, что в исследуемых сигналах фотоэдс квазипериодические колебания появляются на фоне стохастических.

Фурье-спектры дают частоты, появляющиеся в течение всего импульса, но не позволяют определить какие частоты преобладали в определенные моменты времени. С целью определения частотно-временных характеристик сигнала фотоэдс воспользовались непрерывным вейвлет преобразованием. В качестве материнского вейвлета был взят БСЮ-вейвлет второго порядка. Анализ вейвлет-разложения показывает, что квазипериодическим колебаниям соответствуют большие значения временного масштаба вейвлета, составляющие -300 - 500 мкс (что соответствует частотам 2-3,5 кГц). Такие вспышки связаны с вырыванием микрокапель вещества из расплава при кипении. Уменьшение интенсивности лазерного излучения приводит к исчезновению в вейвлет спектрах квазипериодических колебаний. Возникают только высокочастотные колебания, причем, увеличивается вклад последних в спектр сигнала.

Таким образом, из анализа полученных сигналов фотоэдс можно предложить механизм возникновения квазипериодических вспышек, который основан на кипении расплава материала в момент воздействия лазерного излучения, а также на горении микрокапель расплава, эмиссия которых происходит в результате кипения. Появление сплошных фурье-спектров обусловлено горением поверхности.

В третьей главе исследованы общие закономерности формирования рельефа в зоне воздействия лазерного излучения и влияния на него органического покрытия.

Топологические измерения проводили на бесконтактном профилометре \Vyko КГ 9080 (длина волны излучения X ~ 670 нм).

При облучении поверхности

18 s I I; с плотностью мощности

1,07-105 Вт-см"2 происходит

ш\ у 20(1^ __1„4 незначительное оплавление, а

"км U 2М 301) 400 500 «оо »«» о 200 300 400^500 400 поверхность ОСТаеТСЯ гладкой (рис.

а) _ п 3 а). После воздействия лазерного

¡ ^ 2 400 1 Я^Ш^Т}

излучения с плотностью мощности -1,1-105 Вт-см"2 на поверхности

!00 200 300 400 500 х.мкм о 100 200 300 400 500 у, мкм у, мкм

сплава Fe-Si появляется

квазипериодический волновой в) г) рельеф (рис. 3 б). Эта плотность

Рис. 3. Топология кратера при изменении МОЩНости является пороговой для плотности мощности лазерного излучения: образования ВОЛнового рельефа, а) 1,07-103 Вт-см2; б) 1,10-10" Вт-см,r р к

в) 1,3-105 Вт-см"2; г) 2,21-Ю5 Вт-см"2. Увеличение плотности мощности

сказывается и на кривизне поверхности, что проявляется в виде углубления в центральной части и связано с действием паров отдачи (рис. 3 в,г). Появление волнового рельефа вызвано прохождением термокапиллярных волн [2,3]. Так как на поверхности расплава

существует значительный радиальным градиент температуры, то на поверхности возникает сила, называемая силой Марангони, которая зависит также от коэффициента термокапиллярности. Так как, коэффициент термокапиллярности для большинства металлов отрицателен, то снос возмущения (волны) происходит в радиальном направлении от центральной части расплава, и сопровождается увеличением амплитуды волны.

При повышении плотности мощности излучения до -2,64-105 Вт-см"2 на противоположной стороне пластин формируется зона аналогичная зоне воздействия на лицевой стороне. На обратной стороне существует более четко выраженный рельеф. Появление волн на необлучаемой стороне пластины обусловлено тем же механизмом, что и на облучаемой стороне.

0.8 0.6 0,4 0.2

I 10

о X X о.

о о 3 са

0,16 0,2

• \ » i а)

/ Vi

¡ 1 Vi , i И

/ 1 ! | \

к I II Inf 1 1 1 1 ...................X. Ц i V

0,08 0.10,120,14

I I

/ I

б)

III

О 0,05 0,10 0,15 0,2 0,25 0,3 Расстояние до центра кратера, мм

0 -2 -4 -6 -8

"10 0 0,05 0,10 0,15 0,2 Расстояние до центра кратера (мм)

Рис 4. Профилограмма картера сплава Fe-Si: а) лицевая сторона (2,21-Ю5 Вт-см"2); б) обратная сторона (2,94-105 Вт-см"2).

На рис. 4 а,б приведены профилограммы, показывающие особенности формирования волнового рельефа как на облучаемой стороне, так и на не облучаемой стороне пластины соответственно. Нами выделено три области

формирования рельефа в кратере: область стабилизации поверхности I; область экспоненциального роста волн И; область нелинейного роста волн III. В области нелинейного роста волн наблюдается раздвоение целой волны на группу волн. Размер области стабилизации на не облучаемой стороне меньше аналогичной области на

облучаемой стороне примерно в 2 раза. На вставках показан рост

-10: 600 \

200 , мкм

о 800 600 400

у. мкм

Рис. 5. Характерная топология поверхности молибдена в зоне воздействия излучения.

амплитуд волн в зоне • II. Такое пространственное развитие квазипериодического волнового рельефа обусловлено совокупным действием термокапиллярной неустойчивости и паров отдачи. В связи с этим в следующей серии экспериментов исследовались тугоплавкие металлы молибден и вольфрам, кипения расплава которых в наших экспериментах не наблюдали.

Топология оплавления поверхности тугоплавких металлов представлена на рис. 5. В центре кратера формируется «выброс» вещества расплава. Формирование такого «выброса» происходит при облучении поверхности во всех исследуемых диапазонах интенсивностей лазерного излучения. Отсутствует область стабилизации волнового рельефа. Присутствуют только две области: экспоненциального и нелинейного роста волн рельефа. Развитие волнового рельефа начинается непосредственно на «выбросе» в центральной части кратера. Формирование «выброса» качественно можно объяснить образованием стоячей волны на поверхности ванны расплава, аналогично колебаниям упругой мембраны с частотой колебаний для нашего случая ~ 10 Гц. Оценка времени кристаллизации показывает, что оно составляет ~ 0,03 мс для молибдена и вольфрама. За это время поверхность расплава успевает совершить несколько десятков колебаний.

Таким образом, отсутствие интенсивного кипения на поверхности ванны расплава приводит к формированию характерного «выброса» в центральной части кратера, который обусловлен объемными колебаниями расплава. Существование трех областей развития волнового рельефа связано с комбинированным действием термокапиллярной неустойчивости и паров отдачи.

Рис. 6. Характерный вид кратера на лицевой а) и обратной стороне пластины без покрытия б) с органическим покрытием в).

В следующей части главы исследовали влияние продуктов горения на формирование рельефа кратера. С этой целью наносили органическое покрытие (толщина слоя = 0,05 мм) с 10% содержанием графита на не облучаемую сторону пластины сплава Fe-Si.

Интенсивность лазерного излучения выбиралась так, чтобы на обратной стороне 11

Рис. 7. а) Картина травления в области поперечного среза сплава Fe-Si; б) граница проплава.

пластины образовывался кратер (рис. 6 б). Возникающий на обратной стороне пластины рельеф лишен воздействия паров отдачи, пространственный

инкремент при этом составляет 0,017 мкм"1. Покрытие изменяет значение усредненного периода волнового рельефа, который увеличивается примерно в ~ 4 раза (рис. 6 в). Нанесение покрытия приводит к интенсивному горению и, следовательно, воздействию значительного давления продуктов горения на всю поверхность расплава в течение -(0,3-0,5)-10"3 с (временное различие полного проплавления пластины без покрытия и с покрытием). При этом пространственный инкремент равен нулю, но волновое число отлично от нуля, это означает, что действие паров отдачи приводит к насыщению термокапиллярной неустойчивости. Увеличение глубины кратера, связано с интенсивным выносом материала расплава под действием паров отдачи при горении покрытия.

Движение термокапиллярных волн связано с гидродинамическим течением в ванне расплава. В связи с этим далее проводили исследование массопереноса в ванне расплава. На рис. 7 химическим травлением на поперечном разрезе кратера выявлена структура зоны проплавления сплава Fe-Si. Канал полного проплавления имеет форму «чаши», в которой происходит направленная кристаллизация рис. 7 б.

Для исследования массопереноса в ванне расплава использовали следующую методику: в предварительно приготовленное отверстие запрессовывали медную проволочку. Затем поверхность облучали. На поперечном срезе кратера выявлено образование характерного перемешивания металлов (рис. 8 а). Для исследования распределения меди внутри кратера был проведен элементный анализ (рис. 8 б). Видно, что при локальном уменьшении концентрации железа происходит локальное увеличение концентрации меди. Это позволяет сделать вывод, что вихревая картина является следствием конвективного перемешивания расплава. Можно выделить формирование замкнутых интенсивных вихрей: 1) тороидальный вихрь; 2) центральный вихрь.

Таким образом, установлено, что форма канала полного проплавления, имеющая вид чаши обусловлена возникновением конвекционных вихревых потоков.

Четвертая глава посвящена установлению закономерностей пространственной эволюции термокапиллярной неустойчивости при различных

Расстояние, мкм Рис. 8. Поперечное сечение зоны воздействия излучения: а) вид травления поперечного среза зоны воздействия в образце с медной проволочкой; б) распределение Fe, Си, & вдоль линии (ось ординат задана в относительных единицах).

s о.си-

1 i

а 0.02 S

f(W)~W

IxíO

2x10"

3x10!

Плотность мощности. W (Вт-см ) Рис. 9. Зависимость пространственного инкремента рельефа от плотности мощности лазерного

излучения (сплав Fe-Si):----

функция у к l/W1.

плотностях мощности лазерного излучения и механизма формирования формы канала полного проплавления пластины.

За характеристику эффективности пространственного развития термокапиллярной неустойчивости на поверхности кратера примем пространственный инкремент образовавшегося рельефа. Эту величину определяли путем интерполяции зависимости амплитуды рельефа от расстояния до центра кратера экспонентой. Степенной показатель экспоненты является пространственным инкрементом.

Зависимость пространственного инкремента рельефа от плотности мощности представлена на рис. 9, с коэффициентом достоверности (Я2) для каждой точки не менее 0,9. При превышении плотности мощности 1,1-Ю5 Вт-см"2 значения инкремента имеют максимум достигающий - 0,055 мкм"1 и затем при превышении плотности мощности 1,7-10 Вт-см"" значения пространственного инкремента монотонно спадают до исходной величины.

Наличие максимума на кривой (рис. 9) говорит об эффективном пространственном развитии термокапиллярной неустойчивости. Стрелкой на рис. 9 обозначено значение плотности мощности лазерного излучения (2,64-105 Вт-см"2), при которой происходит интенсивное горение и кипение металла. При кипении продолжительность воздействия паров материала за

время лазерного импульса увеличивается.

Это приводит к уменьшению значений пространственного инкремента. Рассчитанное время воздействия продуктов горения пропорционально

(см. формулу (1)). Экспериментальная зависимость пространственного инкремента рельефа поверхности от плотности мощности

интерполируется функцией вида 1/^1,86 . Близость значения показателей степени позволяет утверждать, что существует корреляция между временем воздействия продуктов горения и испарения и пространственным инкрементом рельефа кратера. Уменьшение пространственного инкремента, при не нулевом волновом 13

I область стабилизации [I область гжспоненииашьнот росга ■ III область нелинейного роста

1.0x10"' 1.5x10* 2.0x10-' 3.5x10' З.ОхЮ' 5.5хНТ' Плотность мощности (Вт-см')

Рис. 10. Зависимость относительного размера областей развития волн от плотности мощности (пунктирной линией обозначена плотность мощности возникновения кипения 2,64-105 Вт-см"2).

числе, говорит также о насыщении термокапиллярнои неустойчивости за счет действия паров отдачи при кипении расплава. Значения пространственного инкремента кратера вольфрама и молибдена не изменяются, при изменении плотности мощности лазерного излучения, и равны соответственно 0,006 мкм"1 и 0,03 мкм"1.

На рис. 10 представлена зависимость относительного размера трех областей развития волн от плотности мощности лазерного излучения. Увеличение плотности мощности приводит к уменьшению относительного размера области стабилизации, вместе с тем увеличивается область нелинейного роста. То есть, пространственное развитие волн на поверхности кратера происходит значительно быстрее, чем при низких интенсивностях лазерного излучения. Это говорит об увеличении массопереноса из центральной части кратера в периферийную часть под действием паров отдачи.

Проведен анализ основных безразмерных чисел характеризующих процесс конвекции. Показано, например, что число Бонда значительно меньше единицы. Это означает, что в нашем случае существует преобладание поверхностных сил над объемными силами, поэтому, конвекция, возникающая в расплаве, обусловлена действием поверхностных сил (термокапиллярные силы). Конвективные потоки в объеме расплава возникают из-за наличия вязкости в жидкости - происходит передача момента количества движения из поверхностных слоев в объем расплава.

Датее выполнили моделирование конвекционных потоков в программе «Elmer 7.0» со свободной лицензией [4]. Предлагаемая модель конвекционных потоков справедлива для пластины железа при полном ее проплавлении, то есть через 1,4-1,6 мс после начала воздействия лазерного излучения для неподвижного источника тепла. Область расплава считали цилиндрической.

Моделирование проводили без учета деформации границы раздела газ-жидкость (рис. 11, цифра 2) и фазового перехода жидкость-твердое тело (рис. 11, цифра 3). Граничные условия приняли в следующем виде:

l.Ha оси цилиндрической симметрии (рис. 11, цифра 1) зоны

проплавления выполняется условие:

Радиальное сечение области расплава

2. На границе газ-жидкость (рис. 11, цифра 2) действует термокапиллярная сила, а теплообмен с окружающей средой обусловлен только законом Стефана-Больцмана:

Рис. 11. Граничные условия для задачи компьютерного моделирования термокапиллярной конвекции (обозначения приведены в тексте).

г = R - радиус зоны расплава

3. На границе контакта жидкость-твердое тело (рис. 11, цифра 3), теплообмен обусловлен только механизмом теплопроводности (без учета фазового перехода):

j-Agu=«(r-a

= 0 м! с

Начальное значение температуры объема расплава соответствовало температуре плавления железа (Т = 1800 К). Результаты моделирования представлены на рис. 12. Видно перемещение вихря из центральной части в периферийную часть. Вихри, при своем перемещении, находятся вблизи' поверхности расплава (рис. 9 а-в). При достижении вихрями границы жидкость-твердое тело, они незначительно смещаются в объем расплава. В конечном итоге, на 2-10"3 секунде (рис. 12 г), вихри перестают двигаться -возникает стационарное течение.

Исходя из проведенного компьютерного моделирования и экспериментальных данных,

чашеобразную форму канала полного проплавления можно объяснить наличием конвекционных потоков (конвекция Марангони). При полном проплавлении пластины сплава Fe-Si возникающие приповерхностные вихри расплава, как на облучаемой стороне, так и на не облучаемой стороне, движутся от центра к периферии ванны расплава. При этом происходит перенос горячего вещества от более нагретых областей к менее нагретым областям. В течение этого процесса происходит плавление границы жидкость-твердое тело вихревыми потоками. Что приводит к увеличению приповерхностной зоны ванны расплава.

Таким образом, после полного проплавления пластины (через 1,4 мс после начала облучения), течение устанавливается в течение порядка 2 мс. Формирование чашеобразной формы канала полного проплавления связано с приповерхностными конвекционными вихревыми потоками.

Рис. 12. Результат компьютерного моделирования конвекции в ванне расплава, показаны линии тока на радиальном сечении в различные моменты времени: а) 2-10"5 с; б) 3-10"4 с; в) 8-Ю"4 с; г) 2-Ю"3 с.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что колебания свечения эрозионного факела имеют дискретные фурье-спектры, с высокоамплитудными квазипериодическими временными колебаниями с частотой ~ 1-3 кГц, с рациональным отношением независимых частот; уменьшение интенсивности лазерного излучения приводит к переходу от дискретных фурье-спектров к непрерывным. На основе проведенного анализа сигналов свечения эрозионного факела предложен механизм возникновения квазипериодических вспышек, который основан на кипении расплава материала в момент воздействия лазерного излучения и горении микрокапель расплава, эмиссия которых происходит из поверхности расплава и обусловлена кипением. Сплошные спектры сигналов свечения эрозионного факела связаны с горением поверхности металла.

2. Установлено, что при высоких плотностях мощности лазерного излучения квазипериодические колебания свечения эрозионного факела присутствуют на фоне стохастических. Методом нелинейных динамических систем показано, что стохастичность сигнала излучения эрозионного факела, обусловлена уменьшением интенсивности падающего лазерного излучения. Это подтверждается дробной фрактальной размерностью фазовых портретов в восстановленном фазовом пространстве и положительными значениями показателей Ляпунова, характеризующими скорость разбегания орбит фазового портрета, а также затухающей автокорреляционной функцией.

3. Обнаружено существование трех областей пространственного развития волнового рельефа поверхности: области стабилизации, экспоненциального роста и нелинейного роста волн. Показано, что эволюция трех зон пространственного развития квазипериодического рельефа связана с конвективными потоками расплава и действием паров отдачи. Установлено, что на поверхности тугоплавких металлов (на примере вольфрама и молибдена), в исследуемом диапазоне интенсивностей, существует только две области: экспоненциального и нелинейного роста волн, что обусловлено отсутствием интенсивного кипения и, как следствие, отсутствием действия паров отдачи.

4. Показано существование конвективных вихрей на облучаемой и на необлучаемой стороне термически тонкой пластины, которые ответственны за формирование чашеобразной зоны проплава. Зарождение центрального вихря обеспечивает более равномерное распределение легирующего вещества в ванне расплава. Регистрацией свечения эрозионного факела, как на лицевой, так и на обратной стороне пластины сплава Fe-Si, оценено время существования вихрей на обратной стороне, пластины, которое составляет -1,6-2 мс.

5. Показано, что существует корреляции между временем воздействия паров отдачи и пространственным инкрементом рельефа кратера. Пространственное развитие термокапиллярной неустойчивости, при облучении мишени высокой плотностью мощности лазерного излучения, происходит значительно эффективнее, чем при облучении низкими интенсивностями лазерного излучения, чем объясняется увеличение поверхностного массопереноса.

6. Экспериментально установлено, что присутствие органического покрытия на необлучаемой поверхности приводит к уменьшению пространственного инкремента и насыщению термокапиллярной неустойчивости с нулевым пространственным инкрементом, вследствие интенсивного воздействия на расплав продуктов горения. Это сопровождается значительным выносом материала матрицы и увеличением зоны стабилизации поверхности.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анисимов, С.И. Действие излучения большой мощности на металлы / С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко. - М.: «Наука», 1970. -272 с.

2. Прокошев, В.Г. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости / В.Г. Прокошев, А.Ф. Галкин, И.И. Климовский, С.Ю. Данилов, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25. - №4. - С. 337-340

3. Абрамов, Д.В. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К / Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, А.Ф. Галкин, Л.Д. Квачева, И.И. Климовский, М.А. Кононов, Л.А. Михалицын, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.В. Савранский // Письма в ЖЭТФ. - 2006. -Т.84.-В. 5.-С. 315-319

4. http://www.elmerfem.org (дата обращения 25.02.2014)

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Федоров, В.А. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe - Si в зоне воздействия лазерного излучения / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов,

A.B. Яковлев // Физика и химия обработки материалов. - 2013. - №1. -С. 24-28.

2. Федоров, В.А. Влияние внешних воздействий на структуру и свойства аморфных металлических сплавов / В.А. Федоров, A.B. Яковлев, П.М. Кузнецов // Вопросы современной науки и техники. Университет •им. В.И. Вернадского.-2011.-сп. Вып. 36.- С.74-78.

3. Кузнецов, П.М. Формирование рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si / П.М. Кузнецов,

B.А. Федоров // Вестник Тамбовского Университета Серия: Естественные и технические науки. - 2010. Т. 15. - Вып. 6,-С. 1790-1793.

4. Кузнецов, П.М. Особенности формирования рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность силицида железа / П.М. Кузнецов, Е.В. Зингер // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. — 2010. — Т. 15. - Вып. 3. - С. 1095-1096.

5. Кузнецов, П.М. Особенности формирования кратера в присутствии ПАВ при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe-S¡ / П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, П.А. Скородумов // Вестник Тамбовского Университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2011. - Т. 16. -Вып. I.-C. 160-161.

6. Федоров, В.А. Морфологические особенности поверхности GaAs, обусловленные лазерным и термическим воздействием / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов, М.В. Бойцова, П.А. Скородумов, А.Н. Агапов // Вестник Тамбовского университета Серия: Естественные и технические науки. -

2012. - Т. 17.-Вып. 1.- С.128-130.

7. Кузнецов, П.М. Анализ сигналов фотоэдс, полученных регистрацией эрозионного факела в момент воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность / П.М. Кузнецов, В.А. Федоров // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. -

2013.-Том 18.-Вып. 4.-С. 1778-1779.

8. Кузнецов, П.М. Эволюция рельефа кратера при воздействии, лазерного излучения на поверхность стали 40X13 / П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, А.О. Жигачев // Вестник Тамбовского университета Серия: Естественные и технические науки.-2013.-Том 18. - Вып. 4. - С. 1776-1777.

В других изданиях

9. Fedorov, V.A. Action of laser radiation on crystals of gallium arsenide / V.A. Fedorov, P.M. Kuznetsov, M.V. Boytsova, A.V. Jakovlev // Materials Physics and Mechanics. - 2012. - Vol. 13. - P. 48-50.

10. Федоров, В.А. Особенности конвективного массопереноса в каверне при лазерном проплавлении сплава Fe - Si / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов // Гл. в книге «Влияние электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (коллективная монография); под ред. В.Е. Громова — Новокузнецк: «СибГИУ». - 2011. - С. 118-123.

П.Федоров, В.А. Динамика рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава железа с кремнием / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов // «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении». Материалы междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи. Белгород.: ИПЦ «Политерра», 2011. - С. 124-125.

12. Кузнецов, П.М. Особенности воздействия лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si / П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, Е.В. Зингер // «Прочность неоднородных структур». ПРОСТ. Сб. трудов. V Евразийской научно-практической конференции. М.: «МИСИС», 2010. - С. 110.

13. Федоров, В.А. Морфология поверхности сплава Fe-Si после воздействия лазерного излучения / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов, П.А. Скородумов // «Актуальные проблемы прочности». Материалы 51-й междунар. конф. Харьков.: ННЦ ХФТИ, 2011. - С. 77.

14. Федоров, В.А. Особенности эрозионного факела при воздействии лазерного излучения на металлическую поверхность / В.А. Федоров,

n.M. Кузнецов, A.B. Яковлев // Актуальные проблемы прочности. Материалы 53 междунар. научной конф. 4.2. Витебск: УО «ВГТУ», 2012. -С.54-55.

15. Федоров, В.А. Особенности излучения эрозионного факела при воздействии лазерного излучения на поверхность металла / В.А. Федоров, П.М. Кузнецов, A.B. Лобачев, A.B. Яковлев // XX Петербургские чтения по проблемам прочности. Сб. материалов. 4.2. СПб.: «Соло», 2012.-С.115-116.

16. Кузнецов, П.М. Формирование рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава силицида железа / П.М. Кузнецов, Е.В. Зингер // Всероссийская конф. студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Сб. материалов. Владивосток.: ДВГУ, 2010. -С. 95-96.

17. Кузнецов, П.М. Особенности образования кратера при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью силицида железа / П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, Е.В. Зингер // XIV Национальная конф. по росту кристаллов. Тез. докл. М.: ИК РАН, 2010. - С. 236.

18. Кузнецов, П.М. Морфологические особенности поверхности сплава Fe-Si после воздействия лазерного излучения / П.М. Кузнецов, П.А. Скородумов // 17 Всероссийская научная конф. студентов физиков и молодых ученых. Сб. трудов. Екатеринбург: АСФ России, 2011.-С. 123-125.

Отпечатано в издательстве «Нобелистика» МИНЦ

Лицензия ЛР № 070797 от 16.12.97. Изд. заказ №67, тип. Заказ №79, тираж 100 экз. Объем 1,0 усл. печ. л. Подписано в печать 22.04.14 Россия 392680 г. Тамбов, ул. Монтажников 3, т. 50-46-00

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кузнецов, Петр Михайлович, Тамбов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Р. ДЕРЖАВИНА»

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

04201459781

На правах рукописи

Кузнецов Петр Михайлович

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор В.А. Федоров

ТАМБОВ - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Явления, возникающие при воздействии лазерного излучения на конденсированные среды....................................................................................10

1.1. Возникновение гидродинамических неустойчивостей при различных воздействиях на конденсированные среды..........................................................11

1.1.1. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (неустойчивость тангенциальных разрывов).....................................................................................13

1.1.2. Конвективные течения в ванне расплава..........................................................15

1.1.2.1. Термокапиллярное течение в объеме расплава.............................................16

1.1.2.2. Концентрационная неустойчивость приповерхностных слоев жидкости . 20

1.1.2.3. Концентрационно-термокапиллярная неустойчивость................................22

1.2. Оптические характеристики процесса взаимодействия лазерного излучения с поверхностью мишени......................................................................24

1.2.1. Изменение коэффициента поглощения мишени, подвергнутой воздействию лазерного излучения........................................................................24

1.2.2. Режимы горения металлической поверхности в поле лазерного излучения.................................................................................................................26

1.2.3. Колебательные процессы в плазменном эрозионном факеле.........................28

1.3. Механизмы нагрева поверхности металлов и образования кратера в различных материалах............................................................................................29

1.4. Механизмы удаления материала твердой мишени при воздействии лазерного излучения...............................................................................................31

1.4.1. Механизмы удаление материала из зоны воздействия излучения.................31

1.4.2. Удаление материла с поверхности полупроводников и металлов (испарение, абляция) при воздействии лазерного излучения.............................32

1.5. Роль начальных возмущений поверхности при нагреве мишени и образовании кратера...............................................................................................36

1.5.1. Влияние неметаллических включений на процесс плавления металлов......38

1.6. Некоторые механизмы формирования рельефа поверхности металлов

после воздействия лазерного излучения...............................................................39

1.6.1. Механизмы возбуждения и регистрация капиллярных волн.........................42

Глава 2. Амплитудно-частотные, частотно-временные характеристики эрозионного факела и механизмы их формирования....................................45

2.1. Методика экспериментов......................................................................................46

2.1.1. Регистрация свечения эрозионного факела во время воздействия

лазерного излучения на металлическую поверхность........................................47

2.2. Результаты экспериментов....................................................................................48

2.2.1. Особенности колебаний интенсивности эрозионного факела.......................51

2.2.2. Вейвлет-анализ колебаний излучения эрозионного факела...........................59

2.2.2.1. Морфология вейвлет-спектра заданного сигнала.........................................62

2.2.2.2. Морфология вейвлет-спектра исследуемого сигнала фотоэдс....................64

Выводы...........................................................................................................................66

Глава 3. Общие закономерности формирования рельефа в зоне

воздействия лазерного излучения......................................................................68

3.1. Исследуемые материалы........................................................................................68

3.2. Методика экспериментов......................................................................................69

3.3. Характерные особенности рельефа поверхности металлов при воздействии лазерного импульса.................................................................................................69

3.3.1. Особенности рельефа в сплаве Fe-Si.................................................................69

3.3.2. Структурные характеристики сплава Fe-Si в канале полного проплавления...........................................................................................................76

3.3.3. Оплавление поверхности тугоплавких металлов.............................................78

3.3.3.1.Особенности рельефа в монокристалле молибдена......................................78

3.3.3.2. Особенности рельефа в монокристалле вольфрама.....................................81

3.4. Эволюция волнового числа рельефа различных материалов при изменении интенсивности падающего лазерного излучения................................................83

3.5. Закономерности массопереноса легирующего вещества в ванне расплава.....88

3.6. Влияние покрытия на формирование рельефа кратера......................................90

3.6.1. Особенности топологии и морфологии кратера в присутствии поверхностного покрытия на поверхности сплава Fe-Si....................................90

3.6.2. Массоперенос на обратной стороне пластины.................................................91

3.7. Временные характеристики полного проплавления пластины сплава Fe-Si... 92

3.7.1. Временные характеристики полного проплавления без покрытия................92

3.7.2. Временные характеристики полного проплавления в присутствии покрытия...................................................................................................................94

3.8. Процессы формирования рельефа поверхности металлов при лазерном облучении и явления массопереноса в ванне расплава.......................................94

3.8.1. Особенности массопереноса в ванне расплава................................................95

3.8.2. Объемные колебания ванны расплава...............................................................98

Выводы.........................................................................................................................Л 00

Глава 4. Закономерности пространственной эволюции термокапиллярной

неустойчивости и механизм формирования формы канала полного проплавления пластины....................................................................................101

4.1. Массоперенос на поверхности кратера сплава Fe-Si........................................101

4.2. Механизм массопереноса в объеме расплава сплава Fe-Si..............................105

4.3. О механизме формирования волн.......................................................................107

4.4. Компьютерное моделирование конвекционных потоков................................107

Выводы.........................................................................................................................111

Общие выводы по работе...........................................................................................112

Список литературы......................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Создание оптических квантовых генераторов в 50-х годах прошлого столетия позволило произвести гигантский рывок научных исследований во многих областях различных наук (физика, химия, астрономия, информатика и т.д.). Уникальные свойства получаемого лазерного излучения, такие как: поляризация (линейная, круговая, эллиптическая), когерентность (временная, пространственная), а также возможность получения высокой энергетической плотности излучения (в небольшой облучаемой области) открывают широкие перспективы для обработки поверхности различных материалов, в частности, металлов. Большое внимание при воздействии лазерного излучения на металлические детали (например, при лазерной маркировке [1], полировке [2], закалке с оплавлением [3], легировании поверхности [4]) уделяется качеству получаемой в итоге поверхности. В зоне действия лазерного луча, при расплавлении поверхности, возникают явления, связанные с различными видами гидродинамических неустойчивостей. Наиболее часто встречающимися на практике являются неустойчивости: Кельвина-Гельмгольца (или «ветровая»), термокапиллярная, концентрационная, концентрационно-термокапиллярная. Эти явления ответственны за формирование рельефа на поверхности обрабатываемой мишени. В настоящее время мало изученными остаются механизмы формирования навалов на поверхности оплавленной зоны, а также методы борьбы с вышеназванными неустойчивостями. В частности, остаются открытыми вопросы: динамики образования «ряби» в кратере на обратной стороне термически тонких металлических пластин при воздействии лазерного излучения на поверхность широкого круга металлов и сплавов; влияние внешних факторов (различных покрытий) на формирование рельефа поверхности обрабатываемых поверхностей; особенности пространственного развития неустойчивостей.

Актуальность работы

современным наукоемким технологиям появилась возможность получать материалы с заданными физическими свойствами. Например, поверхностное упрочнение металла лазерным излучением приводит к значительному увеличению ресурса службы элементов различных механизмов. Лазерное ЗБ-прототипирование позволяет получать детали со сложной топологией. Такие детали широко применяются в машиностроении. Создание поверхностей с заданными физическими свойствами требует новых подходов к поставленным задачам. С этой целью разрабатываются новые программные средства контроля качества лазерной обработки, а также бесконтактные измерительные системы (например, бесконтактные профилометры). Применение указанных средств к исследованию поверхности, обрабатываемых лазерным излучением мишеней, приводит к новым технологическим рекомендациям.

Цель работы и задачи исследований

Исследование механизмов формирования волнового рельефа на поверхности металлов и установление закономерностей эволюции эрозионного факела в зоне воздействия когерентного излучения с различной плотностью мощности.

В соответствие с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

Научная новизна работы

1. Показано, что временная форма эрозионного факела связана со временем достижения температуры кипения поверхности металла, обусловленного плотностью мощности лазерного излучения. При высокой плотности мощности в сигнале присутствуют высокоамплитудные низкочастотные колебания свечения эрозионного факела, при уменьшении плотности мощности преобладает низкоамплитудная высокочастотная составляющая колебаний свечения эрозионного факела;

2. Установлены амплитудно-частотные и частотно-временные характеристики свечения факела. Показана их зависимость от процессов, протекающих на поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения: горение микрокапель расплава, горение поверхности;

3. Методами нелинейных динамических систем показано, что в результате облучения поверхности металла высокими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс, регистрируемого свечения эрозионного факела, является квазипериодическим, возникающим на фоне стохастического при облучении низкими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс имеет сплошной фурье-спектр и спадающую автокорреляционную функцию, что характеризует его как стохастический;

4. Впервые показано существование в области лазерного воздействия различных пространственных зон развития термокапиллярной неустойчивости: зоны стабилизации поверхности, зоны экспоненциального роста волн, зоны нелинейного развития волн, проявление которых связано, с состоянием поверхности и температурой кипения расплава;

5. Установлена корреляция между пространственным инкрементом квазипериодического рельефа и временем достижения температуры кипения на поверхности металла. Пространственное развитие термокапиллярной неустойчивости, при облучении мишени высокой плотностью мощности лазерного излучения, происходит значительно эффективнее, чем при облучении низкими интенсивностями лазерного излучения, что свидетельствует об увеличении поверхностного массопереноса;

6. Установлено, что присутствие органического покрытия на необлучаемой поверхности термически тонкой пластины приводит к уменьшению пространственного инкремента, формирующегося на ней рельефа, и насыщению термокапиллярной неустойчивости, вследствие интенсивного воздействия на расплав продуктов горения, вызывающего также увеличение зоны стабилизации поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту

3. Закономерности формирования различных зон пространственного развития рельефа поверхности металла (зоны стабилизации, экспоненциального

роста и нелинейного роста волн) в области воздействия лазерного излучения в зависимости от плотности мощности и состояния поверхности;

Практическая значимость работы

Результаты работы могут быть использованы в качестве технологических рекомендаций в процессе легирования лазерным излучением разнородных металлов, а также для повышения качества лазерной обработки металлических поверхностей. Полученные в работе результаты, могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов «Взаимодействие излучения с веществом», «Гидродинамика», а так же могут служить дополнением к теории устойчивости гидродинамических течений.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе экспериментальных данных подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента, согласованностью с результатами других авторов. Все научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, убедительно аргументированы собственными теоретическими рассуждениями, логикой научного анализа, тщательно проиллюстрированы значительным по объему экспериментальным материалом, не противоречат физическим теориям.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 177 наименований, содержит 132 страницы текста, включая 51 рисунок, 3 таблицы.

ГЛАВА 1. ЯВЛЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СРЕДЫ

Неослабевающий научный и практический интерес представляет рассмотрение различных эффектов и явлений при воздействии лазерного излучения на конденсированные среды в широких диапазонах энергий (от 103 Вт-см"2 и более). Это связано не только с разнообразным практическим применением лазерного излучения, но также дает широкое поле для теоретических исследований. Различным диапазонам энергий соответствуют различные эффекты и, соответственно, разрабатыв