Особенности динамики нагрева, структурных изменений и релаксационных процессов в металлах при импульсном лазерном воздействии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Самарский государственный технический университет

1 " ~ р. 1 На правах рукописи

I' I з V а

ЖАТКИН СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

УДК 621.7:537.5(043.3)+621.785(043.3)

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ НАГРЕВА, СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ И РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛАХ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1996

Работа выполнена на кафедре общей и лазерной физики Самарского государственного технического университета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор физико-математических наук, профессор Бекренев А.Н.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор технических наук, профессор Миркин Л.И. кандидат физико-математических наук Гуреев Д.М.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НПО "Поволжский авиационный научно-технологический институт"

/7

Защита состоится "_о_" ^са^гу^и^ 1996 г. в часов на за-

седании диссертационного совета Д 063.16.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу : 443010, г.Самара, ул.Галактионовская, 141, ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^ "с^хе4р^ЫХ\996г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор физико-математических наук, профессор

Митлина Л.А

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на обширные теоретические и экспериментальные данные по структуре и свойствам металлов после лазерного воздействия, наблюдаются значительные расхождения в прогнозируемых и экспериментально полученных результатах исследований. Этот факт, с одной стороны, не позволяет установить закономерности формирования заданных свойств облучаемых материалов, а с другой стороны, сдерживает широкое внедрение лазерных технологий в сферу обработки металлов. Во многих случаях непредсказуемость конечных результатов связана с отсутствием информации о динамике процессов, протекающих в материале в момент лазерного, воздействия и непосредсгвнно после него. Помимо случаев обработки однородных массивных металлов подобная информация особенно необходима в технологии обработки систем покрытие-подложка для прогнозирования процессов плавления и легирования в них, а также металлических пластин, соответствующих промежуточному классу задач между моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластиной". В последних после лазерного воздействия могут сформироваться структуры, отличающиеся от тех, которые возникают, если металл соответствует хорошо известным двум моделям. Для прогнозирования конечных структур и свойств в таких пластинах, встречающихся, например, в технологии лазерной обработки тонколезвийного инструмента, необходимо иметь данные о динамике нагрева, теплопередачи и релаксационных процессов в них при лазерном воздействии. Сложность построения модели, учитывающей все многообразие взаимообусловленных факторов, влияющих на динамику процессов лазерной обработки, затрудняет теоретическое решение задачи и делает актуальным проведение комплексных экспериментальных исследований в данном направлении.

Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование динамики нагрева, теплопередачи и релаксационных процессов в металлах, протекающих в процессе лазерного импульсного воздействия и непосредственно после него, и установление влияния данных процессов на конечную .структуру и свойства материала.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

1. Разработка и создание контрольно-измерительного комплекса по исследованию динамики взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлами.

2. Исследование динамики нагрева и процессов теплопередачи в металлах с покрытиями, без покрытий, а также в металлических пластинах в момент воздействия лазерного импульса и непосредственно после него.

3. Установление взаимосвязи между динамикой нагрева и теплопередачи с изменением структуры в металлических пластинах, со-

ответствующих промежуточному классу задач, в зоне импульсного лазерного облучения.

4. Исследование особенностей релаксационных процессов в металлических пластинах при лазерном тепловом ударе.

Положения, представляемые к защите: - особенности динамики нагрева, теплопередачи, а также процессов плавления и кристаллизации в металлах с покрытием и без него, связанные с температурным поведением теплофизических свойств материала и их соотношением в системе покрытие-подложка;

- результаты экспериментальных данных по динамике нагрева, теплопередачи и их влиянию на структурные изменения в металлических пластинах, соответствующих промежуточному классу задач между моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластины";

- экспериментальные результаты по динамике возбуждения и релаксации термоупругих волн в металлических пластинах при импульсном лазерном воздействии.

Научная новизна работы. Впервые на основе комплексных экспериментальных исследований определены особенности динамики наг рева и охлаждения, а также процессов плавления и кристаллизации металлов с покрытиями и без покрытий в момент воздействия лазерного импульса и непосредственно после него. Экспериментально установлены особенности динамики нагрева и структурных изменений, вызванных перераспределением тепловых потоков, при воздействии лазерного импульса на металлические пластины, отвечающие промежуточному классу задач кежду моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластины". С использованием экспериментльных данных методами нелинейной оптимизации получены соотношения, позволяющие проследить временные изменения температуры облучаемой поверхности, а также скоростей нагрева и охлаждения ее как в процессе воздействия лазерного импульса, так и после него. Впервые при импульсном лазерном облучении с длительностью 1.3 мс в зоне обработки металлических пластин обнаружены термоупругие колебания частотой 50-500 Гц, возбуждающиеся после воздействия лазерного импульса, и процесс релаксации которых длится до сотен миллисекунд.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для прогнозирования процессов термообработки массивных материалов, плавления и легирования в металлах с покрытиями, а также структурных изменений и деформаций в тонколистовых материалах при интенсивном тепловом воздействии. Это позволит создать высокоэффективные технологии обработки металлических изделий, включая и тонколезвийный инструмент.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на зональной конференции "Обработка материалов высококонцентрированными потоками энергии" (Пенза, 1988), на Международной конференции "Актуальные проблемы науки, технологий, производства и образования

(Чимкент, 1993), на XIУ Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов " (Самара, 1995), на Международной научной конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твёрдыми телами"(Нальчик,1995), на Всероссийской научно-технической конференции "Надёжность механических систем" (Самара, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и библиографического списка из 139 наименований. Она содержит /^страниц машинописного текста,^""рисунков, У таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы актуальность проблемы, цель и задачи исследований, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан анализ работ, посвященных различным аспектам изменения тех или иных параметров материала в процессе лазерного воздействия: отражательной способности, поверхностной температуры, напряжений и деформаций, возникающих при интенсивном тепловом ударе. Рассматриваются вопросы массопереноса и структурно-фазовых превращений при импульсном лазерном воздействии и освещаются современные подходы по вопросам теплофизического моделирования процессов импульсной лазерной обработки металлов. Исходя из литературного анализа, показано, что процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами следует описывать в рамках самосогласованной модели, учитывающей при этом всё многообразие механизмов обратной связи . Однако, так как построение физико-математической модели такого типа весьма проблематично, то необходимо комплексное экспериментальное исследование динамики процесса лазерного воздействия на металлы с одновременным контролем целого спектра параметров взаимодействия.

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента. Для исследований был разработан и изготовлен контрольно-измерительный комплекс, позволяющий одновременно контролировать такие па раметры, как длительность и форму лазерного импульса; температуру облучаемой поверхности металла и её изменения, а также температуру тыльной стороны при обработке пластин; изменение электросопротивления и деформационные процессы в их временном развитии как в период лазерного воздействия, так и в процессе релаксации.

Длительность и форма лазерного импульса контролировались с помощью специальной приставки с кремниевым фотодиодом, которая располагалась на пути лазерного пучка.

Температура поверхности в процессе воздействия измерялась специально изготовленным фотоэлектрическим пирометром с эффективной длиной волны Хэф =1,7 мкм. Пирометр калибровался по излучению платины от 700 до 1500 К и по излучению вольфрамовой спирали до 2300 К, а на более высокие температуры проводилась экстраполяция по формуле Вина. Для расчетов использовались справочные данные-по излучательным характеристикам металлов.

Температура поверхности вычислялась из выражения:

U) =

£сп • С\ • A J

V -In 11 Щ)к,

(1)

где Ci - первая постоянная излучения; Сг - вторая постоянная излучения; Есп - излучательная способность металла на длине волны пирометра; U(t) -амплитуда сигнала от пирометра; Ко - постоянная пирометра или коэффициент пропорциональности между лучистым потоком и амплитудой сигнала от пирометра. Постоянная Ка определялась исходя из калибровочных данных пирометра. Погрешность измерения температуры составляла ±50 К в диапазоне температур 700 - 1500 К и ±100 К в диапазоне 1600-3000 К.

Аналогично методами оптической пирометрии при обра£ютке тонких пластин дополнительно измерялась температура ее тыльной стороны, для чего был изготовлен датчик поверхностной температуры в диапазоне 5001300 К.

Для анализа процессов теплопередачи и возможных структур но-' фазовых изменений во время лазерного воздействия проводился контроль изменения электросопротивления обрабатываемой пластины с помощью индукционного вихретокового прибора со специальным датчиком. Индукционный датчик в виде ферритового кольца с катушкой располагался с ее тыльной стороны в пределах диаметра лазерного пучка. При этом частота генерации датчика задавалась с условием, чтобы глубина скин-слоя была соизмерима с толщиной пластины.

Помимо датчика электропроводности для регистрации процесса деформации тонких пластин при лазерной обработке был изготовлен также вихретоковый датчик, контролирующий смещение свободного конца кон-сольно закрепленной обрабатываемой пластины в процессе ее деформации.

Сигналы с описанных выше датчиков контрольно-измерительного комплекса регистрировались одновременно в процессе воздействия запоминающими осциллографами типа С8-12, С8-13, С8-17, запуск которых был засинхронизирован с запуском лазерного импульса.

Кроме того, для оценки доли поглощенного падающего излучения в фотометрическом шаре проводились измерения коэффициента отражения металлов до их обработки. Отражательная способность образцов измерялась методом сравнения с эталоном, которым служил напыленный в вакууме алюминий.

В исследованиях использовались образцы из армко-железа, стали У12, титана, меди, никеля, молибдена и титанового сплав ОТ4-1М. Для изучения динамики нагрева двухслойных композиций был изготовлен ряд образцов из армко-железа и меди с покрытиями Сг и П, полученных ионно-плазменным напылением. Толщина покрытий составляла 15 ± 2 мкм.

Лазерная обработка проводилась в среде аргона на установке ГОС-1001 с "треугольной" временной формой импульса и длиной волны излучения X = 1.06 мкм.

' Для оценки толщины покрытия, глубины ванны расплава и структурных изменений в модифицированных слоях проводился металлографический анализ поперечных микрошлифов, которые изучались на оптическом микроскопе МБИ-6.

Исследование микроструктуры образцов проведено на рентгеновском микроанализаторе "5ирегргоЬ-733" фирмы ".ШОЬ" с микронным раз-решением.Структурные изменения по толщине обработанных пластин изучались путём оптической микрофотографии при увеличении до 4000х.

В третьей главе приведены результаты и анализ исследований динамики взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлами. При этом отдельно рассмотрены случаи обработки однородных массивных образцов, образцов с покрытиями и металлических пластин.

При обработке однородных массивных образцов экспериментальные данные показали, что помимо поглощательной способности и формы лазерного импульса, на динамику изменения поверхностной температуры в период воздействия и после него значительное влияние оказывает температурная зависимость теплофизических характеристик облучаемого металла, что проявляется в существенном различии процессов нагрева и охлаждения поверхности (рис.1). По расчетам в линейном приближении (для той же формы импульса и при постоянных значениях теплофизических параметров) это различие сглаживается, и поверхность успевает остыть практически за время действия импульса (кривая 3). К тому же, максимально достижимая температура поверхности в линейной модели ниже, чем экспериментально наблюдаемая.

Из анализа осциллограмм установлено, что для "треугольной" формы лазерного импульса со спадающей интенсивностью изменение сигнала от пирометра при воздействии можно аппроксимировать выражением:

11(1) =1-1т-в'"

(2)

где I, т, п - некоторые постоянные, неявно зависящие от параметров излучения и характеристик металла, и определяются численными методами. Подстановка функции (2) в (1) позволяет в явном виде рассчитывать поверхностную температуру в любой момент времени (рис.1, пунктирные кривые). В отличие от линейной модели, время полного остывания поверхности в этом случае составляет не мене 8 и 10 мс для Ре и "Л соответственно.

Ре Т1

Рис. 1 Тепловой сигнал и температурные кривые при обработке Ре и "Л с <70 =2.4-109 Вт/м2. Скорость развёртки 5, = 0.5 мс/дел; чувствительность: Ре - 5,= 0.5 У/дел, "П = 2 У/дел; т(=1.3мс; 1 - Ре; 2 - "П; 3 - Ре, расчет по линейной модели; пунктирные кривые - результаты численного счета.

Из формул (1) и (2) можно получить выражение для расчёта скоростей нагрева и охлаждения поверхности:

р СО

с/Г И и(1)+Р

т

- +л

(3)

где Р = е о, • Сл • / Ко ; О = С2/ Хеу . На рис.2 приведены результаты

расчета функции (3) для железа (кривая 1), а также расчетные данные, полученные в линейном приближении с усредненными теплофизическими параметрами - для прямоугольной формы импульса (кривая 3) и "треугольной" (кривая 2). Если в линейном приближении функция с/Г/Л не имеет экстремумов, то в нелинейной модели с использованием выражений (2) и (3) экстремум наблюдается как на стадии нагрева (/ = 5 • 105 мс), так и при охлаждении - в районе окончания импульса.

\2

с1ТМ 10« К/с

300 200 100

-0.8

_ ю-5

/,мс

Рис. 2. Эволюция функции йТу/ск при воздействии лазерного импульса на Ре: 1 - расчёт по формуле (3); 2 и 3 - расчёт по линейной модели с усредненными коэффициентами для треугольной (2) и прямоугольной (3) формы импульса.

Таким образом, нелинейность задачи лазерного импульсного нагрева приводит к существенно новым не только количественным, но и качественным результатам.

При обработке массивных образцов с покрытиями установлено, что на динамику поверхностной температуры существенно влияет соотношение теп-лофизических свойств покрытия и подложки. Исследовался нагрев поверхности при воздействии лазерного импульса на композиции Ре-Т1, Ре-

Сг и Си-"П (рис.3). Если теплопроводность покрытия значительно ниже в широком температурном интервале, чем у подложки (композиции Ре-Т1 и Си-Т1), то наблюдается перегиб с уменьшением скорости нагрева поверх-

0 0.4 0.8 1.2 XI 1.6 2.0 /,мс

Рис. 3. Расчетные зависимости температуры поверхности при лазерном воздействии с qo=2.4■ 109 Вт/м2 на двухслойные композиции: 1 - Ре-Т^ 2 - Ие-Сг; 3 -Си-Ть

носги, что объясняется снижением теплового барьера на границе покрытие-подложка обрабатываемой композиции. Поскольку температуропроводность и теплопроводность хрома существенно выше, чем у железа, то на границе покрытие-подложка у композиции Бе-Сг тепловой барьер (или термосопротивление) наоборот, повышается, вследствие чего скорость нагрева поверхности растет по сравнению с композициями Ре-"П и Си - Тк Кроме того, при одинаковом уровне поглощенной энергии (по результатам измерений в фотометрическом шаре) максимально достижимая температура поверхности на чистом титане (рис.1) выше, чем на композициях Ре-Тт и Си-Тл (рис.3).

Эти результаты подтвердились также особенностями процессов плавления и кристаллизации в указанных системах. Если для композиции Ре-"П "полка" кристаллизации не. наблюдается (рис.3), то для системы Ре-Сг она хорошо выражена, что также объясняется влиянием различия тепло-физических свойств покрытия и подложки. В первом случае (композиция

ТП,К

Ре-"П) из-за низкой температуропроводности титанового покрытия и уменьшения термосопротивления на границе с подложкой глубина плавления была незначительной, что не позволило зафиксировать процесс кристаллизации пирометром. В системе Ре-Сг наличие высокопроводящего покрытия и увеличение термосопротивления на границе раздела вызвали более глубокое противление и соответственно большее тепловыделение при кристаллизации расплава. Металлографический анализ поперечных шлифов показал, что глубина ванны расплава для композиции Ре-"П составляет 20-25 мкм, а для Ре-Сг - 50-60 мкм, что подтверждает приведенный выше анализ.

Исследования процессов воздействия импульсного лазерного излучения на металлические пластины проводились на образцах из №, Мо, Ре и Т1 толщиной 120, 230, 240 и 500 мкм соответственно. Экспериментально показано,; что динамика температуры облучаемой поверхности в этом случае определяется не только теплофизическими и поглощательными характеристиками металла, но и является также функцией отклика от нагрева тыльной стороны пластины. При этом на N1 и Мо обнаружена "стационарная" стадия нагрева (рис.4), когда скорости нагрева- облучаемой и тыльной поверхностей совпадают. Наличие этой стадии обусловлено "переотражением" от них "тепловой волны", вызывающей снижение градиента температур по толщине. Для используемых в экспериментах пластин из N1 и Мо термическая глубина / т = ^4 • (о{Т)) ■ г,. = 2И

где V,- 1.3 мс - длительность лазерного импульса; <а(Т)> - усреднённая по температуре температуропроводность металла; Ь - толщина пластины. Поэтому "тепловая волна" испытывает однократное "отражение", которого недостаточно для полного выравнивания температур во время действия импульса. Различие в температурах сглаживается лишь к концу лазерного импульса.

На основе экспериментальных данных показано, что процесс теплопередачи можно описывать, вводя понятие приведенной температуропроводности, равной половине ее среднего значения, т.е. апр=<а(Т)>/2. Действительно, из рис. 4 для № видно, что в "стационарном" режиме время запаздывания в нагреве тыльной поверхности относительно облучаемой составляет = 0,4 - 0,5 мс, соответствующее удвоенному времени =Ь2/4<а(Т)> (для ЬН <а(Т)>=15-10 6 м2/с) достижения тепловым фронтом тыльной поверхности пластины, т.е. /*=2/°. Отсюда:

Дпр = Л2/4г* = <а(Т)>/2

(4)

Рис.4. Тепловой сигнал и температурные кривые при лазерной обработке N1 (Л=120 мкм) с до = 2.4 • 109 Вт/м2 : 1 - облучаемая сторона, Бт = 100 тУ/дел; 2 - тыльная сторона пластины, Бт = 500 тУ/дел; = 0.5 мс/дел; т ¡ - 1.4 мс.

Таким образом, параметры аПр и соответствуют длине тепловой волны, равной толщине пластины. Поэтому тепловое поле в ней до момента времени 1' выравнивания температуры по глубине можно описать в рамках полубесконечного приближения, и, в частности, нагрев тыльной поверхности удовлетворительно описывается выражением:

-ь

0 < ( < Г

(5)

Расчеты по выражению (5) для N1 и Мо дали хорошее согласие с экспериментальными данными.

Исходя из полученных результатов по динамике поверхностных температур при воздействии на металлические пластины установлено, что в рамках теплофизического моделирования процессов лазерной обработки существует класс задач, занимающих промежуточное положение между моделью полубесконечного тела и моделью тонкой пластины. Как известно, модель тонкой пластины справедлива при:

/г = л/4 • Й • / »И (6)

При этом предполагается отсутствие градиента температур по глубине, что возможно лишь при многократном "отражении тепловой волны" от поверхностей. Для полубесконечного же тела:

1т «Ъ (7)

Однако используемые в исследованиях пластины из N1, Мо, "П и Ре не удовлетворяют этим требованиям. Для никелевой и молибденовой пластин /т и 2Ь и при этом наблюдается заметный градиент температур в процессе действия импульса (рис.4), т.е. модель термически тонкой пластины не работает. Для железных и титановых пластин условия (6), (7) также не выполнялись, т. к. после окончания лазерного импульса нагрев тыльной стороны все-таки влиял на динамику температуры обработанной поверхности. По расчетам из выражений (1) и (2) время остывания поверхности массивных образцов из Ре и Т1 до 200° С составило 8 и 10 мс соответственно. В то же время по экспериментальным данным процесс охлаждения зон обработки железной и титановой пластин до такой же температуры длится 100 мс и больше. Очевидно, столь существенное различие в скоростях охлаждения после воздействия не может не сказаться на формировании структуры обработанных зон, что подтвердилось исследованиями структуры и измерением микротвердости на поперечных шлифах. На пластинах из сплава ОТ4-1М толщиной 500 мкм после лазерной обработки с плотностью мощности <70 = 2.4 • 109 Вт/м2 была выявлена структура из четырех зон с различной твердостью в каждой из них (рис.5). За зонами плавления (|3 - превращенная пластинчатая структура с включениями а' - мартенсита) с наиболее высокой твердостью (4000-4500 МПа) и термического влияния (пластинчатая и глобулярная а + р - структура) с минимальной твердостью (1800-1900 МПа) следует промежуточная светлая область (чисто глобулярная а + р - структура) с микротвердостью около 2300-2400 МПа. Темная зона у тыльной стороны имела микротвердость 2800-3000 МПа, совпадающую с исходной для необработанного поверхностного слоя на-гартованной пластины. Очевидно, что наличие зон отжига (ЗТВ и пере-

ходная область) вызвано значительным снижением скорости отвода тепла из них после достижения тепловым фронтом тыльной поверхности. Существующий при этом градиент температур по толщине пластины

Рис. 5. Фрагмент поперечного микрошлифа пластины из сплава ОТ4-1М (h = 500 мкм) после импульсного лазерного воздействия с qo=2.4-109 Вт/м2; увеличение 150х

определяет различие в степени отжига и, соответственно, микротвердости данных зон. По измерениям температура тыльной поверхности не превышала 700 К, что, по-видимому, недостаточно для снятия напряжений в нагартованном слое и снижения его твердости. При обработке массивных образцов из ОТ4-1М в том же режиме многослойных структур по глубине не обнаружено, а повышение микротвердости до 4500-5000 МПа происходило лишь в зоне оплавления. Кроме того, микроспектральный анализ показал, что в отличие от массивного образца в цласгине идёт заметное перераспределение А1 и Мп по глубине, также связанное с изменением скорости теплоотвода в ней.

Снижение скорости теплопередачи, вызывающее структурные изменения по глубине обрабатываемой пластины, подтвердилось также данными по динамике сигнала от вихретокового датчика и температуры тыльной поверхности. После достижения теплового фронта тыльной стороны пластины отмечалось значительное уменьшение скорости роста вихретокового сигнала и, следовательно, скорости изменения электросопротивления пластины. Следующее уменьшение в скорости изменения сигнала наблюдалось после выравнивания температуры по глубине до 700 К.

Влияние динамики нагрева тыльной поверхности и, соответственно, скорости теплопередачи в пластинах, отвечающих промежуточному классу задач, на структурные изменения и свойства подтвердилось также и при

воздействии лазерного импульса на сталь У12, закаленную в исходном состоянии до 4700 МПа. После обработки стальных пластин толщиной 240 мкм (/т £ Л) наблюдалось снижение исходной твёрдости у тыльной стороны до 3000 МПа, вызванное отжигом материала. При этом в отличие от массивных образцов, обработанных в том же режиме, поверхностная твердость облучённой стороны снижалась с 10000 МПа до 7000 МПа из-за более низкой скорости охлаждения поверхности.

Таким образом, проведенный анализ динамики импульсного лазерного нагрева и структурных изменений в пластинах показал, что пограничная область между "полубесконечным телом" и термически тонкой пластиной может быть задана в пределах:

- . /г/ 3 < 1Т <, 1Т (8)

За пределами левой части неравенства (8) лежит область задач о нагреве "термически тонкой" пластины, когда "тепловая волна претерпевает не менее трех переотражений" и отсутствует градиент температур по толщине, а справа - это задачи о нагреве "полубесконечного тела", в котором нагрев, охлаждение и структурные изменения облученной зоны проходят без влияния тыльной стороны образца как в процессе воздействия, так и после него.

Комплексное исследование динамики изменения поверхностной температуры и электропроводности в процессе воздействия лазерного импульса и после него позволило установить особенности теплопередачи по глубине при плавлении и кристаллизации, проявляющиеся не только в изменении скоростей нагрева и охлаждения поверхности при этом, но и скорости роста сигнала от вихретокового датчика. На основе экспериментального определения полки кристаллизации, временных изменений сигнала от вихретокового датчика, а также глубины ванны расплава для Т1 и Ре была рассчитана скорость движения фронта кристаллизации (Укр = 70-г80 • 103 м/с).

Деформационные процессы исследовались при обработке пластин из титанового сплава ОТ4-1М с использованием вихретокового датчика "смещения" свободного конца консольно закрепленной пластины, который располагался с ее тыльной стороны. Установлено, что при воздействии в зоне обработки за счет расширения материала возникают сильные растягивающие термонапряжения, вызывающие прогиб пластины в сторону датчика. Максимум прогиба отмечался в интервале времени, когда тепловой фронт достиг её тыльной стороны. Лишь при прогреве её по всей толщине до одной температуры градиент напряжений уменьшается, и пластина начинает прогибаться в исходное положение. После обработки за счет сжимающих остаточных напряжений наблюдался прогиб ее навстречу лазерному пучку, который увеличивался либо с ростом либо при много-

кратном воздействии. В работе использован метод оценки остаточных напряжений, исходя из представления об обработанной лазером пластине в виде бипластины, где покрытием служит модифицированный поверхностный слой, а подложкой - не подверженная изменениям основа. В литературе описан консольный метод определения внутренних напряжений в полимерном покрытии на упругой подложке, вызывающих при отвердевании его прогиб бипластины. При условии, если радиус кривизны изгиба велик по сравнению с толщиной подложки с! 1 (данное условие выполняется даже при больших прогибах подложки ввиду малой ее толщины) и йг 2 й\, то внутренние напряжения, возникающие в покрытии, описываются выражением:

4 • Л Е,, ■ £

Ств = -;--II (9)

или

С в--7-г (10)

где f - стрела прогиба; /у - отклонение свободного конца пластины; Ен - модуль Юнга подложки; V - коэффициент Пуассона подложки; /п -длина пластины; й\ - толщина подложки; ¿г - толщина покрктия. Важно то, что в данные выражения не входят модуль Юнга и коэффициент Пуассона покрытия, что является достоинством метода. В большинстве случаев после лазерной обработки поверхностный слой претерпевает структурно-фазовые изменения и его свойства могут существенно отличаться от свойств необработанных зон, что позволяет нам прибегнуть к модельным представлением о бипластине. Положив длину /п равной диаметру лазерного пятна (-13 мм) и измерив ¡1; пластины после обработки, были рассчитаны внутренние напряжения, возникающие в пластине из сплава ОТ4-1М после лазерного импульса. Металлографический анализ поперечного шлифа показал, что существенные изменения претерпевает оплавленный слой, толщина которого при qo = 2,4-109 Вт/м2, составила 80 мкм. Расчеты по выражению (10) при /п=13мм, сЬ = 80 мкм, «¿1 = Ь—<1г = 420 мкм и Л/= 0,5 мкм, показали, что величина ств = 260-300 МПа, а после двухкратного воздействия (йу = 0,75 мм) ств = 390-400 МПа. Полученные данные хорошо коррелируют с известными значениями ств для титановых тонколистовых материалов после лазерной обработки.

В ряде случаев процесс лазерного воздействия на металлические пластины из титанового сплава ОТ4-1М и никеля сопровождался возбуждением

в зоне обработки упругих волн, которые были зарегистрированы вихрего-ковым датчиком электросопротивления (рис.6). .

а) б)

Рис.6. Вихретоковый (1) и тепловой (2) сигналы от пластины из ОТ4-1М при лазерном воздействии с яо =2.2-109 Вт/м2: а) пластина размерами 0,5x20x100 мм3, &=10мс/дел, 5в=20 тУ/дел, 8т= 100 тУ/дел; б) -"- 0,5x20x50 мм3, Б1=5 мс/дел, 5в=20 тУ/дел, 8т=50 шУ/дел.

Как показали исследования, частота этих релаксационных колебаний зависит от геометрии образцов и изменяется в пределах 50...500 Гц в зависимости от длины пластины. Резонансный характер колебаний особенно проявлялся на образцах из ОТ4-1М, когда частота возбуждаемых колебаний совпадала с собственной частотой пластины. В то же время на никелевых пластинах колебания наблюдались при любой их длине. Очевидно, это связано с тем, что собственные упругие силы никелевой пластины невелики (при /г=120 мкм), и поэтому резонансного усиления колебаний не требовалось.

Отсутствие эрозионной плазмы и процессов испарения исключало возможность возбуждения упругих волн за счет давления отдачи паров. Поэтому единственный источник их - это взаимодействие упругих сил инерции и высоких температур при таком интенсивном тепловом ударе. Из теории термоупругости известно, что динамический прогиб пластины при тепловом ударе может вызвать в ней упругие колебания. Набллю-даемые колебания возбуждаются уже после окончания лазерного импульса ' в период, когда тепловой фронт достиг тыльной стороны пластины и при этом же отмечался максимум её прогиба в сторону деформационного датчика, что подтверждает термоупругую природу данных колебаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработан и изготовлен контрольно-измерительный комплекс, позволяющий одновременно исследовать целый ряд параметров взаимодействия лазерного пучка с материалами: длительность и форму лазерно-

го импульса; динамику изменения температуры облучаемой поверхности и тыльной стороны пластины; изменение электропроводности материала в процессе воздействия, а также развитие деформационных и колебательных процессов при воздействии лазерного пучка на металлические пластины,

2. Экспериментально подтвержден существенно нелинейный характер задачи импульсного лазерного нагрева металлов, проявляющийся в качественно ином поведении функции скоростей нагрева и охлаждения поверхности, а также значительном различии ее температур по сравнению с данными, рассчитанными из линейной модели.

3. С использованием экспериментальных данных численными метода- . ми получены соотношения, позволяющие описать изменения температуры облучаемой поверхности во времени и скоростей нагрева и охлаждения как

в процессе воздействия лазерного импульса, так и после него.

4. На примере бинарных систем Fe-Ti; Cu-Ti; Fe-Cr с толщиной покрытий из Ti и Cr 15 мкм экспериментально установлено, что при импульсной лазерной обработке систем покрытие-подложка динамика температуры поверхности во времени определяется соотношением их теплофизических свойств на границе раздела. Данный фактор влияет также на глубину ванны расплава таких систем при лазерной обработке их с оплавлением.

5. На основе экспериментальных данных по изучению динамики нагрева металлических пластин, соответствующих промежуточному классу задач лазерного нагрева между моделями полубесконечного тела и термически тонкой пластины, показано существенное влияние изменения температуры тыльной стороны на процессы теплопередачи, формирования структуры и свойств металлов в зоне обработки. При этом установлено, что конечные структура и свойства таких пластин могут существенно отличаться от тех, которые формируются после обработки массивных образцов, либо "термически тонких" пластин.

6. Установлено, что в условиях импульсного лазерного воздействия с плотностью мощности ^0=2-5-2.5-109 Вт/м2 в металлических пластинах происходит возбуждение термоупругих колебаний с частотой 50-500 Гц в зависимости от вида материала пластины и ее геометрических размеров. Время полного затухания колебаний составляет от нескольких десятков до сотен миллисекунд.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Паркин A.A., Жаткин С.С. Специальная приставка к ГОС-1001 для измерения параметров излучения и процесса взаимодействия концентрированного потока энергии с веществом. //В кн.: Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии. Пенза. 1988. С.22-23,

2. Паркин A.A., Жаткин С.С. Исследование поверхностного легирования железа и стали У12 титаном при импульсного лазерного воздействии

//Тезисы докладов Международной конференции "Актуальные проблемы науки, технологий, производства и образования". Чимкент. 1993. С.44-45.

3. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин A.A. Исследование динамики нагрева металлов при импульсном лазерном воздействии//Физика и химия обработки материалов. 1994. N 6. С.25-31.

4. Бекренев А.Н., Паркин A.A., Жапсин С.С. Возбуждение упругих волн в титановых пластинах при импульсном лазерном воздействии //Письма в ЖТФ. 1995. Т 21 Вып. 1. С.37-40.

5. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин A.A. Анализ импульсной лазерной обработки металлов методом оптической пирометрии/Тезисы докладов XIY Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов". Самара: Изд-во СамГТУ. 1995. С.458-459.

6. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин A.A. Распространение упругих волн в тонких пластинах при интенсивном тепловом ударе//Тезнсы докладов XIY Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов". Самара: Изд-во СамГТУ. 1995. С.459-460.

7. Паркин A.A., Жаткин С.С. Способ упрочнения тонколезвийного инструмента//Заявка N93050768/02(050818) от 09.11.93.

8. Жаткин С.С., Яковлев В.М., Найденко A.B. Анализ влияния теп-лофизических параметров системы плёнка-подложка на динамику нагрева импульсным лазерным пучком //Тезисы докладов Международной научной конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодествия потоков энергий с твёрдыми телами". Нальчик.1995. С.120-121.

9. Паркин A.A., Жаткин С.С. Контроль деформаций и упругих колебаний в металлических пластинах при интенсивном внешнем воздействии //Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Надёжность механических систем". Самара. 1995. С. 185.

Объем 1.0 п.л.

Набрано на персональном компьютере. Размножено на ксероксе. Тир.100 экз.