Формирование рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 537.9

ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА КРАТЕРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ СПЛАВА Ее-81

© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров

Ключевые слова: лазер; неустойчивость; расплав; межфазная граница.

Обнаруженные особенности образования рельефа кратера связываются с термокапиллярной неустойчивостью. Предполагается возможный механизм образования нескольких межфаз-ных границ, обнаруженных на поперечном срезе травленого образца.

ВВЕДЕНИЕ

Появление оптических квантовых генераторов создало уникальную возможность получения новых материалов, а также спровоцировало интенсивное развитие исследований в области импульсных энергетических воздействий. Благодаря особым свойствам лазерного излучения (когерентность, поляризация, высокие плотности энергии и т. д.) стало возможным управлять внутренними процессами в твердом теле, а также производить модификацию поверхности материалов [1], в частности металлов. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металлов возможно появление различного рода явлений (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, термокапиллярная неустойчивость и т. д.) [2], связанных с тепловым воздействием. Изучение таких явлений может дать значимую информацию о поведении расплава внутри каверны во время воздействия когерентного излучения. Это расширяет перспективы использования лазерного излучения в промышленности.

Цель работы. Исследование особенностей воздействия лазерного излучения на поверхность пластин ОЦК сплава Бе-81.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе использовались пластины кремнистого железа (содержание 81 ~ 3,4 %) с размерами 30^15x0,27 мм. Облучали образцы на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом, которая позволяет получать различные формы импульсов. Длина волны излучения 1,064 мкм. Энергию воздействия лазерного импульса определяли измерителем энергии и мощности ИЭМ-4-1. Все эксперименты производились при комнатной температуре. Металлографические исследования проводили на металлографическом микроскопе и инвертированном микроскопе 01ушрш 0X51, травление образцов осуществляли в 4 % растворе азотной кислоты в этиловом спирте.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При воздействии импульса излучения на поверхности образца формируется кратер. На поверхности кратера во всем интервале энергий излучения (от 0,3 до 2 Дж) образуется кольцевой квазипериодический волнообразный рельеф (рис. 1), период которого составляет порядка 1,7-10-2 мм. Диаметр лазерного пятна не превышал 0,5 мм. Определена критическая плотность

1790

энергии излучения, при которой происходит образование кратера (оплавления поверхности) ~ 2,3-105 Дж-с-1-см-2 (0,3 Дж) для импульса прямоугольной формы с длительностью 3-10-3 с.

Рис. 1. Изображения кратеров на а) лицевой и б) обратной стороне, формирующихся под действием прямоугольного импульса (~ 3,5-105 Дж-с-1-см-2)

Рис. 2. Рельеф кратера на а) лицевой и б) обратной стороне в одном масштабе

Рис. 3. Зависимость увеличения высоты Рис. 4. Травленый поперечный разрез кратера

ступени Ак от расстояния до центра кратера: с увеличенным изображением края межфазной

■ - лицевая сторона, • - обратная сторона границы

1791

При повышении энергии до « 3,5-105 Дж-с-1-см-2 (1,5 Дж) на противоположной стороне пластин формируется аналогичная зона воздействия (рис. 1б). На обратной стороне диаметр кратера и период колец колеблются в широких пределах от импульса к импульсу при облучении одной энергией, но эти значения всегда меньше, чем на лицевой стороне.

На обратной стороне образца, как видно из рис. 2, существует более четко выраженный рельеф и кольца формируются почти из середины кратера (рис. 3).

На рис. 3 показан график увеличения высоты ступени от расстояния до центра кратера, из него видно, что зависимость носит экспоненциальный характер (с достоверностью Я2 = 0,77).

При травлении образцов на разрезе кратера выявилась структура (рис. 4) материала, на которой видно образование межфазных границ. Эти границы имеют толщину 4 мкм и при выходе на поверхность формируют навал, «окаймляющий» кратер. Причем непосредственно на навале образуются кольца побежалости (рис. 1), судя по которым, температура изменяется от «558 до «598 К. Появление границ связано, по-видимому, с образованием отраженных тепловых волн от поверхности.

Для примерной оценки этого предположения используем приближенную формулу для расчета закалочной глубины к [3]:

где а - температуропроводность, t - время воздействия лазерного излучения. Подставляя характерные значения физических характеристик для железа (а = 1,284-10-5 м2-с~'), а также времени воздействия лазера (t = 3-10~3 с) получим h ~ 4-10-4 м, сравнивая это значение с толщинами образцов, получаем, что за время действия импульса тепловая волна успеет дойти до обратной стороны и обратно. Это является возможной причиной образования нескольких межфазных границ.

Появление периодического волнообразного рельефа на поверхности кратера связано с термокапиллярными явлениями [3, 4], которые возникают вследствие зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры.

Отсутствие колец в центре кратера на лицевой стороне говорит о том, что существует слой с большей толщиной расплава [2], который препятствует образованию таких концентрических колец. Зависимость, показанную на рис. 3, можно объяснить тем, что при воздействии лазерными импульсами с большой энергией металл нагревается до высокой температуры (при этом интенсивного испарения не происходит), образуя расплав. При остывании расплава в кратере возникает значительный радиальный градиент температуры, благодаря чему на свободной границе возникают поверхностные касательные напряжения, которые приводят к увеличению амплитуды поверхностных капиллярных волн.

ВЫВОДЫ

Таким образом, обнаруженные особенности формирования рельефа кратера связаны с термокапиллярной неустойчивостью, а появление нескольких межфазных границ, возможно, связано с отражением тепловой волны от поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // УФН. 1996. Т. 166. № 1. С. 3-32.

2. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок // под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.

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

4. Banishev A.F., Golubev V.S., Khramova O.D. Study of the Keyhole-Formation Dynamics // Laser Physics. 1993. Vol. 3. № 6. Р. 1198-1202.

1792

5. Мирзаде Ф.Х. Волновая неустойчивость слоя расплавленного металла, образующегося при интенсивных лазерных воздействиях // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 8. С. 32-36.

БЛАГОДАРНОСТИ: Часть работ выполнено на оборудовании (НОиИЦ) «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» Белгородского государственного университета.

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

Поступила в редакцию 20 августа 2010 г.

Kuznetsov P.M., Fedorov V.A. Relief formation of crater at influence of laser radiation on surface of alloy Fe-Si.

Discovered formation features of crater’s relief couple with thermocapillary instability. The possible mechanism of formation of the several interphase borders which have been appeared on a cross-section etched of the sample is supposed.

Key words: laser; instability; melt; interphase border.

1793