Особенности канала проплавления на поверхности пластин стали 40х13н после воздействия лазерного излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ КАНАЛА ПРОПЛАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН СТАЛИ 40Х13Н ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, М.Ю. Тихомиров

Ключевые слова: расплав; термокапиллярное течение; лазерное излучение; аспектное отношение.

Исследованы особенности проплавления пластин стали 40Х13Н после воздействия импульсного лазерного излучения. Предложен механизм тепломассопереноса в объеме расплава.

В процессе лазерной обработки (сварки, резки, сверления отверстий, поверхностного легирования) нержавеющей стали решающую роль играют явления тепло и массопереноса в объеме расплава.

В работе использовали пластины нержавеющей стали марки 40Х13Н [1-3] с размерами образцов 30x15x0,9 мм. Облучали образцы на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (длина волны 1,064 мкм, свободная генерация). Энергия импульса и время воздействия составляют 3 ± 0,1 Дж и 3 мс соответственно. Плотность мощности лазерного излучения изменяли, варьируя положение фокуса линзы (расфокусировка) относительно рабочей области. Все эксперименты производились при комнатной температуре при обдуве мишени смесью окружающего воздуха и аргона (скорость подачи 5 л/мин.).

На рис. 1 представлен вид поперечного разреза кратера после химического травления. Форма канала имеет форму «чаши». При этом в канале проплавления образуются поры.

Одним из параметров, характеризующих процесс проплавления, является аспектное отношение (отношение глубины проплава к диаметру кратера). На рис. 2 представлена зависимость аспектного отношения от плотности мощности. Эта зависимость носит нелинейный характер. Видно, что при низких плотностях мощности (рис. 2) лазерного излучения образуется неглубокая ванна расплава, увеличение интенсивности приводит к уменьшению диаметра кратера и увеличению глубины расплава. Полное проплавление пластины происходит при 3,27-105 Вт-см-2 (на рис. 2 обозначено стрелкой).

По результатам проведенных экспериментов можно обобщить процессы полного проплавления образцов. По виду поперечного сечения канала полного проплавления можно предположить, что как на лицевой стороне пластины, так и на обратной образуется вихревое течение. Движущей силой приповерхностных течений (вихрей) является сила Марангони [4]. Эта сила возникает в результате зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры и определяется как ¥Ма = сттУТ, где стт=да/дТ - коэффициент термокапиллярности (Н-м-1-К-1), УТ - градиент температуры (К-м-1).

Рис. 1. Вид поверхности кратера и поперечного среза до и после травления в одном масштабе после воздейсвия лазерного импульса с интенсивностью 3,27-105 Вт-см-2

0.0 -----.-----1-----,-----1-----------,-----.-----1

1.5x10' 2.0x10' 2.5x10’ 3.0x10* 3.5x10’

Плотность мощности (Вт-см'')

Рис. 2. Зависимость аспектного отношения от плотности мощности (стрелкой обозначено полное проплавление пластины)

Для большинства металлов и сплавов коэффициент термокапиллярности меньше нуля - более горячее вещество переносится от центра (где наибольший тепловой поток) к периферии. Поэтому вихри будут направлены из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой, как показано на рис. 3.

1786

/ © I

Рис. 3. Схема положения и направления приповерхностных вихрей (осевая симметрия) при полном проплавлении стали 40Х13Н

Вид зависимости аспектного отношения (рис. 2) от плотности мощности качественно можно объяснить следующим образом. Воздействие низкими интенсивностями на поверхность мишени приводит к появлению широкой и неглубокой ванны расплава, градиент температуры на поверхности расплава составляет порядка ~104 К-см-1, при этом в массоперенос вовлечено незначительное количество расплава (только приповерхностная область), поэтому при низких интенсивностях лазерного излучения преобладают поверхностные силы. При увеличении плотности мощности лазерного излучения диаметр кратера на лицевой стороне уменьшается, градиент температуры увеличивается до ~105 К-см-1, вместе с этим в массоперенос вовлечено значительное количество расплавленного материала это приводит к уменьшению вклада поверхностной силы и увеличению влияния объемных сил (силы плавучести) в вихреобразование в объеме расплава. По-видимому, конкуренция этих механизмов приводит к нелинейной зависимости аспектного отношения от плотности мощности.

Образование пор в канале проплава, по-видимому, связано с образованием усадочной раковины.

Таким образом, появление вихрей около периферии сопровождается эффективным расплавлением твердого вещества и увеличением размеров кратера при этом кратер является более широким по сравнению с «шейкой» канала. Нелинейная зависимость аспектного отношения от плотности мощности обусловлена конкуренцией поверхностных сил и объемных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стали и сплавы. Марочник / под ред. В.Г. Сорокина. М.: «Интер-мет Инжиниринг», 2001. 608 с.

2. Федоров В.А., Кузнецов ПМ., Яковлев А.В. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe-Si в зоне воздействия лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 2013. № 1. C. 24-28.

3. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 699 с.

4. Kou S. Welding metallurgy. N. J.: John Wiley & Sons. Inc. Hoboken, 2003. 461 p.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-01-97514 р_центр_а) и госзадния № 1.691.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kuznetsov P.M., Feodorov V.A., Tikhomirov M.Y. FEATURES OF CHANNEL PENETRATION BY LASER RADIATION ON SURFACE OF STEEL PLATES 40H13N

The features of the fusion plates steel 40H13N after exposure to pulsed laser radiation are considered. A mechanism of mass-and heat transfer in the melt is proposed.

Key words: melt thermo-capillary flow; laser radiation; aspect ratio.

УДК 544.022.2

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПРИ ШАРОВОМ ПОМОЛЕ СМЕСЕЙ КОМПОНЕНТОВ В СИСТЕМЕ Ре-А1-81

© Л.М. Кубалова, В.И. Фадеева

Ключевые слова: сплавы Ее-А1^ц механическое сплавление; упорядоченные и неупорядоченные твердые растворы. Исследованы механохимические реакции образования сплавов Ее50А150_^1, (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50) под действием динамической деформации при шаровом помоле смесей Ее, А1, Si. Синтезированные сплавы метаста-бильны и содержат ОЦК твердый раствор Ее(А1^) со структурой В2 и гцк фазу ЕeSi (В20). Степень порядка В2 зависит от продолжительности помола и содержания Si.

К числу нанотехнологий, интенсивно развиваемых в последние годы, принадлежит механохимический синтез порошковых сплавов, называемый механическим сплавлением (МС). Этот процесс представляет собой твердофазное взаимодействие компонентов под действием динамической деформации при помоле смесей порошков.

Были синтезированы сплавы ЕезоА^о-Х?^ (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50), принадлежащие квазибинарному разрезу ЕeA1-ЕeSi равновесной диаграммы Ее-А1^ [1]. МС происходило при помоле смесей Ее, А1 и Si со средним размером частиц 40-100 мкм и чистотой Ее и А1 не менее 99,9 % и Si-99,98 % в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице МАПФ-2М с водяным охлаждением в атмосфере аргона. Взаимодействие

1787