Особенности формирования кратера в присутствии ПАВ при воздействии лазерного излучения с поверхностью сплава Fe-Si Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КРАТЕРА В ПРИСУТСТВИИ ПАВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ СПЛАВА Fe-Si

© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, П.А. Скородумов

Ключевые слова: лазерное излучение; металлы; поверхность.

В статье рассматриваются сопутствующие явления, характерные для взаимодействия когерентного излучения с поверхностью поликристаллического кремнистого железа в присутствии поверхностно активных веществ.

ВВЕДЕНИЕ

Появление оптических квантовых генераторов создало уникальную возможность получения новых материалов, а также спровоцировало бурное 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 [1], а также производить модификацию поверхности материалов [2], в частности металлов. Особую роль в этих процессах играет чистота поверхности, а также присутствие поверхностно активных веществ.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты производились на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий алюминиевого граната, легированного ниодимом (Ш:УАО), с

длиной волны 1,064 мкм. Энергия воздействия лазерного импульса определялась при помощи измерителя энергии и мощности ИЭМ-4-1. Характерный размер лазерного пятна не превышал 0,5 мм. Использовались два вида поверхностных покрытия: на основе углерода (содержание углерода ~ 10 %) и на органической основе. Оба покрытия наносились с двух сторон толщиной ~ 0,1 мм. Образцы имели размеры 60x9,5x0,45 мм и были приготовлены как металлографический шлиф. Эксперименты проводились в среде аргона.

Из сравнения изображений рис. 1 а), б) следует, во-первых, разные смазки по-разному влияют на поведение расплава, что связано не только с их теплофизическими свойствами, но и с легирующими элементами, которые входят в состав покрытий. Во-вторых, влияние покрытий сказывается на обратной стороне, где происходит значительное увеличение периода колец с 5-10-3 мм для области без покрытия до 2-10-2 мм с покрытием на основе углерода и до 1,9-10-2 мм с покрытием на органической основе.

в)

Рис. 1. Характерный вид кратера на лицевой (верхнее изображение) и обратной стороне (нижнее изображение): стороне без покрытия а) с графитовым покрытием б) и в) органическая основа; во всех случаях использовался импульс прямоугольной временной формой с плотностью мощности ~ 3,13 • 105 Вт-см-2

На рис. 1 б) видно, что на лицевой стороне происходит образование дендритных структур. Причем ден-дриты направлены от центра кратера. А на рис. 1 в) дендриты не образуются, что связано с отсутствием легирующих элементов в покрытии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Образование концентрических колец связано, по-видимому, с термокапиллярной неустойчивостью [1, 3, 4]. Причина этой неустойчивости кроется в зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкого расплава от температуры. Причем изменение периода колец на обратной стороне связано именно с радиальным градиентом температуры. Это подтверждается тем фактом, что нанесенный слой покрытия некоторое время «удерживает» температуру благодаря его теплопроводности и нагреву не сверху (в случае лицевой стороны), а снизу. Из-за чего температура на поверхности «успевает» распределиться по радиусу кратера равномернее. Нагревом снизу можно объяснить и отсутствие дендритной структуры внутри кратера на обратной стороне. Дело в том, что при сквозном проплавлении пластины происходит эмиссия частиц расплавленного металла (его разбрызгивание), благодаря чему с поверхности кратера уносится легированный слой металла.

Появление дендритной структуры на лицевой стороне связано с легированием поверхности расплава углеродом.

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. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // УФН. 1999. Т. 169. № 11. С. 1243-1271.

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

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие: для вузов. В 10. Т. 6. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2006. 736 с.

Поступила в редакцию 25 ноября 2010 г.

Kuznetsov P.M., Fedorov V.A., Skorodumov P.A. Features of formation of crater in presence of peahens at influence of laser radiation with surface of alloy Fe-Si

In article the accompanying phenomena characteristic for interaction of coherent radiation with a surface of polycrystalline siliceous iron in the presence of superficially active substances are considered.

Key words: laser radiation; metals; surface.