CC BY
37
волновых чисел k = ÍÍ-^T Eev|í—I æ 103 см 1, (при
VW Л m JUJ
q æ 105 Вт - см 1,
£
m JVa,
Eev = 7 -10-12 эрг ), где Eev -
энергия испарения, т - масса атома железа.
Неустойчивость Кельвина - Гельмгольца («ветровая» или неустойчивость тангенциального разрыва скоростей) связана с взаимным «скользящим» движением слоев жидкости, при котором поверхность раздела между слоями является поверхностью разрыва скорости жидкости. В [18] показано, что малые возмущения (например, давление паров металла или обдувание вспомогательным газом при лазерной сварке или резке) такой системы приводят к неустойчивости. Макси-
(др)3/2
мальный инкремент [17]: у = 0,4----------77^— = 105с-1
(при Лр æ 1 бар) k = 0,7 Лр = 3 -102 см-1.
для
_ _1 / 2 аР
волнового
Это далеко не все неустойчивости, возникающие в результате лазерного воздействия, но играющие существенную роль в образовании рельефа поверхности, а также рельефа кратера, образованного лазерным воздействием на металлическую мишень.
5. Вункин Ф.В., Кириченко Н.А., Лукьянчук В.С. Термохимическое действие лазерного излучения // УФН. 1982. Т. 138. Вып. 1. С. 45-91.
6. Евсеев А.В., Марков М.А. Фотоинициированная излучением XeCl-лазера полимеризация акриловых олигомеров // Квантовая электроника. 1994. Т. 21. № 5. С. 491-494.
7. Гуреев Д.М., Кузнецов С.И., Петров А.Л. Лазерный раскрой углеродных композиционных материалов // Известия Самарского научного центра РАН. 1999. № 2. С. 255-276.
8. Базылева И.О., Галушкин М.Г., Голубев В.С., Дубровина Е.А., Карасев В. А. Термические потери в процессе газолазерной резки металлов: сб. науч. тр. // Современные лазерно-информационные и лазерные технологии; под ред. чл.-кор. РАН В.Я. Панченко и проф. В.С. Голубева. М.: Интерконтакт Наука, 2005. С. 221-227.
9. Красюк И.К. Применение лазерных ударных волн для изучения теплофизических и механических свойств вещества // УФН. 1999. Т. 169. № 10. С. 1155-1157.
10. URL: http://www.novomet.ru.
11. URL: http://www.kaiprototyping.com.
12. URL: http://www.sibai.ru.
13. URL: http://www.laser.ru.
14. URL: http://engicompany.ru.
15. URL: http://www.modellmix.su.
16. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // УФН. 1996. Т. 166. № 1. С. 3-32.
17. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. // под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.
18. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие для вузов: в 10 т. Т. 6. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2006. 736 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-01-97514 р_центр_а).
а
ЛИТЕРАТУРА
1. Чапланов А.М., Шибко А.Н., Фазовые превращения в системе титан-кремний при лазерной обработке в алканах // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 6. С. 63-66.
2. Альбисиитов Г.А., Андрияхин В.М., Сафонов А.Н. Модификация механических свойств материалов лазерным излучением // Известия академии наук. Сер. Физ. 1983. Т. 47. № 8. С. 1468-1478.
3. Бахарев М.С., Миркин Л.И., Шестериков С.А., Юмашева М.А. Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. 224 с.
4. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // УФН. 1999. Т. 169. № 11. С. 1243-1271.
Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.
Kuznetsov P.M., Feodorov V.A., Vasilyeva S.V., Baryshev G.A. About some mechanisms of influence of laser radiation on metals.
In the review mechanisms of formation of periodic structures are considered at interaction of laser radiation of moderate intensity with metals (steel). As such mechanisms are accepted: thermocapillary and evaporation-capillary instability, and also Calvin-Helmholtz instability.
Key words: laser; metals; melt; instability.
УДК 539.3
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ СПЛАВА Fe-Si © П.М. Кузнецов, Г.В. Новиков, В.А. Федоров, А.В. Яковлев
Ключевые слова: лазер; металлы.
В статье рассматриваются сопутствующие явления, характерные для взаимодействия когерентного излучения с поверхностью поликристаллического кремнистого железа.
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 плотно-
сти энергии и т. д.) стало возможным управлять внутренними процессами в твердом теле [1], а также производить модификацию поверхности материалов [2], в частности металлов. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металлов возможно появление всякого рода эффектов, связанных с тепловыми воздействиями.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты производились на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий алюминиевого граната, легированного ниодимом (К^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 0,3 мм. Использовались поликри-сталлические образцы кремнистого железа (содержание 81 ~ 3 %) со средним размером зерен ~ 10 мм. Образцы, вырезанные в форме двойной лопатки, имели размеры 60x9,5x0,45 мм и были приготовлены как шлиф. В экспериментах образцы обдувались аргоном.
Для кремнистого железа определена характерная интенсивность лазерного воздействия, необходимая для оплавления поверхности, и составляет ~ 1,8-105 Вт-см-2. При увеличении интенсивности примерно в 2 раза происходит образование кратера, причем на его поверхности формируются системы концентрических колец с шагом ~ 0,5• 10-2 мм (рис. 1). А в центральной зоне происходит растрескивание поверхности.
После травления образцов (3 % раствор азотной кислоты в спирте) в кратерах отмечалась рекристаллизация (рис. 2).
Рис. 1. Характерный вид кратера на поверхности кремнистого железа (размер зерна ~ 5 мм) при интенсивности ~ 3,13-105 Вт-см-2
Рис. 2. Вид центральной зоны кратера после травления, интенсивность ~ 7,2-105 Вт-см-2
Рис. 3. Образование трещин и раскрытие границ зерен при температуре жидкого азота (интенсивность ~ 8,8-105 Вт-см-2)
Облучение образцов при температуре жидкого азота приводит к раскрытию границ зерен, а также появлению глубоких трещин как в центральной зоне кратера, так и на периферии (рис. 3).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Образование концентрических колец, по-видимому, связано с тремя неустойчивостями: термокапиллярная (ТКН), и испарительно-капиллярная неустойчивости (ИКН), неустойчивость Кельвина-Гельмгольца [1, 3, 4].
Т.о. обнаружено, что при интенсивности ~ 3,13-105 Вт-см-2 в кратере образуется система концентрических колец; происходит рекристаллизация; а также при криогенных температурах происходит растрескивание поверхности и раскрытие границ зерен.
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.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-01-97514 р_центр_а).
Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.
Kuznetsov P.M., Novikov G.V., Feodorov V.A., Yakovlev A.V. Interaction of laser radiation with a surface of alloy Fe-Si.
In the article the accompanying phenomena characteristic for interaction of coherent radiation with a surface of polycrystalline siliceous iron are considered.
Key words: laser; metals.
