Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Явления, возникающие при воздействии лазерного излучения на конденсированные среды 10
1.1. Возникновение гидродинамических неустойчивостей при различных воздействиях на конденсированные среды 11
1.1.1. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (неустойчивость тангенциальных разрывов) 13
1.1.2. Конвективные течения в ванне расплава 15
1.1.2.1. Термокапиллярное течение в объеме расплава 16
1.1.2.2. Концентрационная неустойчивость приповерхностных слоев жидкости.. 20
1.1.2.3. Концентрационно-термокапиллярная неустойчивость 22
1.2. Оптические характеристики процесса взаимодействия лазерного излучения с поверхностью мишени 24
1.2.1. Изменение коэффициента поглощения мишени, подвергнутой воздействию лазерного излучения 24
1.2.2. Режимы горения металлической поверхности в поле лазерного излучения 26
1.2.3. Колебательные процессы в плазменном эрозионном факеле 28
1.3. Механизмы нагрева поверхности металлов и образования кратера в различных материалах 29
1.4. Механизмы удаления материала твердой мишени при воздействии лазерного излучения 31
1.4.1. Механизмы удаление материала из зоны воздействия излучения 31
1.4.2. Удаление материла с поверхности полупроводников и металлов (испарение, абляция) при воздействии лазерного излучения 32
1.5. Роль начальных возмущений поверхности при нагреве мишени и образовании кратера 36
1.5.1. Влияние неметаллических включений на процесс плавления металлов 38
1.6. Некоторые механизмы формирования рельефа поверхности металлов после воздействия лазерного излучения 39
1.6.1. Механизмы возбуждения и регистрация капиллярных волн 42
Глава 2. Амплитудно-частотные, частотно-временные характеристики эрозионного факела и механизмы их формирования 45
2.1. Методика экспериментов 46
2.1.1. Регистрация свечения эрозионного факела во время воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность 47
2.2. Результаты экспериментов 48
2.2.1. Особенности колебаний интенсивности эрозионного факела 51
2.2.2. Вейвлет-анализ колебаний излучения эрозионного факела 59
2.2.2.1. Морфология вейвлет-спектра заданного сигнала 62
2.2.2.2. Морфология вейвлет-спектра исследуемого сигнала фотоэдс 64
Выводы 66
Глава 3. Общие закономерности формирования рельефа в зоне воздействия лазерного излучения 68
3.1. Исследуемые материалы 68
3.2. Методика экспериментов 69
3.3. Характерные особенности рельефа поверхности металлов при воздействии лазерного импульса 69
3.3.1. Особенности рельефа в сплаве Fe-Si 69
3.3.2. Структурные характеристики сплава Fe-Si в канале полного проплавления 76
3.3.3. Оплавление поверхности тугоплавких металлов 78
3.3.3.1.Особенности рельефа в монокристалле молибдена 78
3.3.3.2. Особенности рельефа в монокристалле вольфрама 81
3.4. Эволюция волнового числа рельефа различных материалов при изменении интенсивности падающего лазерного излучения 83
3.5. Закономерности массопереноса легирующего вещества в ванне расплава 88
3.6. Влияние покрытия на формирование рельефа кратера 90
3.6.1. Особенности топологии и морфологии кратера в присутствии поверхностного покрытия на поверхности сплава Fe-Si 90
3.6.2. Массоперенос на обратной стороне пластины 91
3.7. Временные характеристики полного проплавления пластины сплава Fe-Si 92
3.7.1. Временные характеристики полного проплавления без покрытия 92
3.7.2. Временные характеристики полного проплавления в присутствии покрытия 94
3.8. Процессы формирования рельефа поверхности металлов при лазерном облучении и явления массопереноса в ванне расплава 94
3.8.1. Особенности массопереноса в ванне расплава 95
3.8.2. Объемные колебания ванны расплава 98
Выводы 100
Глава 4. Закономерности пространственной эволюции термокапиллярной неустойчивости и механизм формирования формы канала полного проплавления пластины 101
4.1. Массоперенос на поверхности кратера сплава Fe-Si 101
4.2. Механизм массопереноса в объеме расплава сплава Fe-Si 105
4.3. О механизме формирования волн 107
4.4. Компьютерное моделирование конвекционных потоков 107
Выводы 111
Общие выводы по работе 112
Список литературы 115
- Механизмы нагрева поверхности металлов и образования кратера в различных материалах
- Регистрация свечения эрозионного факела во время воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность
- Характерные особенности рельефа поверхности металлов при воздействии лазерного импульса
- Механизм массопереноса в объеме расплава сплава Fe-Si
Введение к работе
Актуальность работы. Создание оптических квантовых генераторов в 50-х годах прошлого столетия позволило произвести гигантский рывок в исследованиях во многих областях различных наук (физика, химия, астрономия, информатика и т.д.). Уникальные свойства лазерного излучения такие как: поляризация, когерентность, а также возможность получения высокой энергетической плотности излучения открывают широкие перспективы для использования лазерного излучения в различных отраслях промышленности.
Высокие требования к надежности и долговечности в авиа-, судо-, автомобилестроении к конструкционным материалам ставят задачи повышения производительности и качества в металлообработке деталей. Благодаря современным наукоемким технологиям появилась возможность получать материалы с заданными физическими свойствами. Например, поверхностное упрочнение металла лазерным излучением приводит к значительному увеличению ресурса службы элементов различных механизмов. Лазерное 3D-прототипирование позволяет получать детали со сложной топологией. Такие детали широко применяются в машиностроении. Создание поверхностей с заданными физическими свойствами требует новых подходов к поставленной задаче. С этой целью разрабатываются новые программные средства контроля качества лазерной обработки, а также бесконтактные измерительные системы. Применение указанных средств к исследованию поверхности обрабатываемых мишеней, приводит к новым технологическим рекомендациям при обработке лазерным излучением поверхности различных металлических материалов.
Исследования в области наукоемких технологий обеспечивают энергетическую эффективность при обработке поверхности различных материалов лазерным излучением. Это приводит к улучшению экономических показателей в соответствующих отраслях промышленности.
Цель работы. Исследование механизмов формирования волнового рельефа на поверхности металлов и закономерностей эволюции эрозионного факела в зоне воздействия когерентного излучения с различной плотностью мощности.
В соответствие с целью работы были поставлены следующие задачи:
-
Установить временню форму эрозионного факела по сигналу фотоэдс и определить ее зависимость от плотности мощности лазерного излучения; определить амплитудно-частотные и частотно-временные характеристики свечения эрозионного факела и установить их связь с протекающими на поверхности металла процессами;
-
Методами нелинейных динамических систем провести анализ колебаний сигнала фотоэдс, создаваемого свечением эрозионного факела в зависимости от плотности мощности лазерного излучения;
-
Установить топологические особенности поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения в зависимости от плотности мощности излучения, температуры кипения расплава и состояния поверхности;
-
Экспериментально и компьютерным моделированием установить механизмы и закономерности гидродинамических процессов, протекающих в области воздействия лазерного излучения и их роль в формировании зоны расплава;
-
Определить характеристики пространственного развития (пространственный инкремент, волновое число) термокапиллярной неустойчивости в зависимости от плотности мощности излучения.
Научная новизна.
Показано, что времення форма эрозионного факела связана со временем достижения температуры кипения поверхности металла, обусловленного плотностью мощности лазерного излучения. При высокой плотности мощности в сигнале присутствуют высокоамплитудные низкочастотные колебания свечения эрозионного факела, при уменьшении плотности мощности преобладает низкоамплитудная высокочастотная составляющая колебаний свечения эрозионного факела;
Установлены амплитудно-частотные и частотно-временные
характеристики свечения факела. Показана их зависимость от процессов, протекающих на поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения: горение микрокапель расплава, горение поверхности;
Методами нелинейных динамических систем показано, что в результате облучения поверхности металла высокими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс, регистрируемого свечения эрозионного факела, является квазипериодическим, возникающим на фоне стохастического, при облучении низкими плотностями мощности лазерного излучения сигнал фотоэдс имеет сплошной фурье-спектр и спадающую автокорреляционную функцию, что характеризует его как стохастический;
Впервые показано существование в области лазерного воздействия различных пространственных зон развития термокапиллярной неустойчивости: зоны стабилизации поверхности, зоны экспоненциального роста волн, зоны нелинейного развития волн, проявление которых связано, с состоянием поверхности и температурой кипения расплава;
Установлена корреляция между пространственным инкрементом квазипериодического рельефа и временем достижения температуры кипения на поверхности металла. Пространственное развитие термокапиллярной неустойчивости, при облучении мишени высокой плотностью мощности лазерного излучения, происходит значительно эффективнее, чем при облучении низкими интенсивностями лазерного излучения, что свидетельствует об увеличении поверхностного массопереноса;
Установлено, что присутствие органического покрытия на необлучаемой поверхности термически тонкой пластины приводит к уменьшению пространственного инкремента, формирующегося на ней рельефа, и
насыщению термокапиллярной неустойчивости, вследствие интенсивного воздействия на расплав продуктов горения, вызывающего также увеличение зоны стабилизации поверхности.
Положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности временнй эволюции эрозионного факела, возникающего в момент воздействия лазерного излучения с различной плотностью мощности на металлическую поверхность; установленные амплитудно-частотные и частотно-временные закономерности колебаний эрозионного факела, и их связь с процессами, протекающими на поверхности металла в зоне воздействия лазерного излучения;
-
Роль плотности мощности лазерного излучения в процессе перехода от квазипериодических колебаний свечения эрозионного факела к стохастическим колебаниям;
-
Закономерности формирования различных зон пространственного развития рельефа поверхности металла (зоны стабилизации, экспоненциального роста и нелинейного роста волн) в области воздействия лазерного излучения в зависимости от плотности мощности и состояния поверхности;
-
Механизмы и закономерности процессов, протекающих в области воздействия лазерного излучения, которые обусловлены конвекцией, силами плавучести и Марангони и роль этих процессов в формировании зоны расплава;
-
Результаты исследования пространственных характеристик термокапиллярной неустойчивости (пространственного инкремента и волнового числа) в зависимости от плотности мощности излучения.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы в качестве технологических рекомендаций в процессе легирования лазерным излучением разнородных металлов, а также для повышения качества лазерной обработки металлических поверхностей. Полученные в работе результаты, могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов «Взаимодействие излучения с веществом», «Гидродинамика», а так же могут служить дополнением к теории устойчивости гидродинамических течений.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертация соответствует требованиям паспорта специальности 01.04.07 – Физика конденсированного состояния: п. 4. Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ; п. 6. Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами (физико-математические науки).
Апробация работы.
Результаты исследований были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: V, VI Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ (Москва, 2010, 2012); Всероссийская конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых по физике (Владивосток, 2010, 2012); XIV Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 2010); 17 Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2011); V Международная школа «Физическое материаловедение» и VI Всероссийская молодежная научная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении» (Белгород, 2011); Международная конференция «Вторые московские чтения по проблемам прочности материалов» (Черноголовка, 2011); 51, 53 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина, 2011; Витебск, Беларусь, 2012); XVIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012); Международная конференция «XX Петербургские чтения по проблемам прочности» (Санкт-Петербург, 2012); Третья Международная научная конференция «Химическая термодинамика и кинетика» (Великий Новгород, 2013); VIII Международная научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2012); VII Международная конференция «Микромеханизмы пластичности разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2013).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 39 работах, 14 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. В опубликованных в соавторстве работах автор принимал участие в планировании и проведении экспериментов, обсуждении результатов, написании статей и подготовке докладов.
Работа выполнена в рамках Государственного задания Минобрнауки РФ(№ 1.691.2011) и поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (проект № 12-01-97519_р_центр_а).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 177 наименований, содержит 132 страницы текста, включая 51 рисунок, 3 таблицы.
Механизмы нагрева поверхности металлов и образования кратера в различных материалах
Тепловое действие лазерного излучения на металлы описывается уравнением параболического типа – уравнением теплопроводности: температура, как функция координат и времени, v(t) - скорость, Л(х,у,г) - коэффициент температуропроводности, а - толщина скин-слоя, R=(1-g) - коэффициент отражения, д- коэффициент поглощения. В левой части уравнения (14) первое слагаемое описывает изменение температуры во времени, а второе - движение объемных источников тепла (в жидкости описывает конвекцию). В правой части уравнения (14), первый член описывает дивергенцию теплового потока, а второй учитывает коэффициент отражения от поверхности (который в общем случае зависит от температуры и, следовательно, от времени), экспонента определяет глубину, на которой поглощается лазерное излучение. Уравнение теплопроводности имеет три вида граничных условий, которые подробно рассмотрены в классических учебниках (например [91]). Уравнение (14) справедливо вплоть до времен электрон-фононного рассеяния, то есть до времен порядка 10-12 с. Таким образом, это уравнение справедливо в широком диапазоне времен воздействия лазерного излучения.
Формирование кратера (в металлах, полупроводниках) существенно зависит от параметров лазерного излучения: длины волны, длительности (непрерывный, импульсный), энергии, поляризации лазерного излучения.
В работе [92] использовались повторяющиеся лазерные импульсы с частотой 5-50 кГц и длительностью 0,1 мкс, при этом формирование кратера происходит путем последовательного выплескивания расплава из облучаемой зоны мишени.
При обработке поверхности железа сериями лазерных импульсов наносекундной длительности с интенсивностью 108 Втсм-2 (за время воздействия серии импульсов) характерным механизмом образования кратера является удаление материала в виде расплава под действием давления паров [93]. В этой же работе наблюдалась сильная зависимость формы кратера от числа импульсов в серии. В работе [94] отмечается, что форма кратера зависит от освещенности в пятне фокусировки светового излучения и от характерных размеров неоднородностей на облучаемой поверхности. Так же указывается влияние неоднородностей на глубину и форму периферии кратера. Причем за форму застывших выбросов расплава ответственна ориентация мишени. В этой работе не сообщается о временной форме лазерного излучения, которая может кардинально изменить глубину и диаметр кратера. Например, в работах [95-97] говорится, что для того чтобы увеличить глубину расплава необходимо использовать растянутый во времени передний фронт и высокую мощность лазерного импульса. Так же отмечено, что для того, чтобы оптимизировать параметры лазерного импульса по максимальной глубине кратера необходимо учитывать геометрию лазерного пучка, в частности, диаметр зоны фокусировки излучения на поверхность мишени. Это позволяет добиться высоких аспектных отношений (отношение глубины к диаметру), а также эффективности расходования энергии излучения на плавление.
Будем рассматривать диапазон интенсивностей лазерного излучения 104 Втсм-2 - 106 Втсм-2. Наиболее эффективное проплавление (испарение) материала лазерным пучком достигается именно в этом интервале плотностей мощности. При дальнейшем увеличении плотности мощности эффективность удаления материала снижается из-за наличия высокоионизированной плазмы (состоящей как из материала мишени, так и окружающей среды), которая хорошо поглощает излучение.
Для большинства металлов в диапазоне интенсивностей, не превышающих порога интенсивного парообразования (104 Втсм-2-106 Втсм-2), удаление материала мишени из зоны воздействия лазерного излучения может происходить несколькими путями: действием паров отдачи, уноса расплава обдуваемым газом из сопла. Удаление материала действием паров отдачи. При достижении температуры плавления материала, на поверхности образуется расплавленная зона (ванна расплава). Эффективность образования ванны расплава определяется аспектным отношением – отношение глубины (h) к диаметру (d) образовавшегося расплава. При больших аспектных значениях (h d) образуются неглубокие ванны расплава с большой площадью поверхности. Существующие в расплаве поверхностные силы преобладают над объемными. Это создает благоприятные условия для формирования капель расплава. Именно такой процесс рассматривали С. Басу (Basu) и Т. Деброй (DebRoy) [98], исследуя воздействие лазерного излучения на свинец, титан и сталь 201. Облучение образцов производили одним и серией импульсов. Было установлено, что при увеличении длительности импульса от 0,5 мс (выброса не происходит) до 1 мс выброс жидкого расплава происходит более эффективно. При облучении образцов серией импульсов, с увеличением количества импульсов в серии с 5 до 10, выброс жидкого расплава также совершается эффективнее. На основе теоретического анализа, авторы сделали вывод, что существует критическая температура поверхности – точка кипения металла, при которой происходит выброс расплава. При достижении температуры кипения на поверхности действует сила паров отдачи. Причем, под действием термокапиллярной силы в ванне происходит интенсивный тепло- и массоперенос. Этот механизм работает и для серии импульсов меньшей длительности – температура поверхности при одиночном импульсе (из серии) не достигает критической точки, но последующие импульсы нагревают поверхность до точки кипения.
Рассмотрим три наиболее важных механизмов удаления материала с поверхности полупроводников (в частности, GaAs) и металлов: 1) поверхностное испарение; 2) гетерогенное кипение; 3) гомогенное кипение.
Поверхностное испарение (абляция). Существует несколько отличительных особенностей лазерной абляции: 1) абляция связана с поглощением лазерного излучения непосредственно на поверхности мишени; 2) абляция сопровождается появлением парогазового облака, состоящего из материала мишени. Литература по проблеме абляции достаточно обширна (например [99]). Этот процесс подразумевает прямой переход вещества из твердой фазы в газообразную фазу. Зависимость давления паров материала от температуры находится из хорошо известного уравнения Клаузиуса-Клапейрона [100]:
Регистрация свечения эрозионного факела во время воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность
В момент воздействия лазерного излучения на поверхность материалов формируется эрозионный факел, который влияет на процесс пробоя металлической пластины и формирование рельефа поверхности кратера. Была проведена серия экспериментов направленная на регистрацию свечения от эрозионного факела. Принципиальная схема регистрации свечения эрозионного факела представлена на рис. 2.2.
Излучение лазерной установки ЛТА-4-1, падающее на образец, вызывает образование эрозионного факела (вспышки), которое регистрировали верхним фотоэлементом. При достаточной плотности мощности падающего лазерного излучения происходило полное проплавление пластины, причем на противоположной стороне происходила эмиссия раскаленных частиц вещества, излучение от частиц попадало в нижний фотоэлемент. Видимое свечение факела регистрировали фотоэлементами Ф-14 (диапазон длин волн 300-700 нм). Далее, сигнал от фотоприемников попадал в 8-битный АЦП, подключенный к ПК. Обработку полученных сигналов проводили в программе Origin.
На рис. 2.3 приведены характерные зависимости фотоэдс от времени, отражающие изменение интенсивности свечения эрозионного факела. При изменении плотности мощности излучения происходит значительное изменение временной формы импульса, что обусловлено изменением расстояния до образца фокусного пятна лазерного излучения (рис. 2.1).
При облучении поверхности лазерным излучением с плотностью мощности 3,28105 Втсм-2 и 3,13105 Втсм-2 интенсивность свечения эрозионного факела скачком увеличивается в момент начала импульса. При этом в сигнале присутствуют высокоамплитудные колебания фотоэдс. При плотностях мощности 2,21105 Втсм-2 и 2,64105 Втсм-2 интенсивность свечения эрозионного факела достигает максимума через 1 мс. В импульсе лазерного излучения с плотностью мощности 1,53105 Втсм-2 интенсивность излучения эрозионного факела достигает максимума в конце импульса через 3 мс. При этом в сигналах отсутствуют высокоамплитудные колебания фотоэдс. Это объясняется тем, что горение в основном происходит на неровностях поверхности [141], где критическая плотность мощности для горения меньше.
Движение вдоль каустики, в сторону уменьшения плотности мощности, приводит к изменению значения абсолютного сигнала фотоэдс, а также смещению времени достижения максимального значения фотоэдс. Времення эволюция сигналов фотоэдс при варьировании плотности мощности обусловлена временем начала кипения поверхности металла и ее горением. Оценим интервал времени, проходящего между началом воздействия лазерного излучения и началом кипения. Для этого воспользуемся формулой [74, 142]: где К - теплопроводность, с - удельная теплоемкость, р - плотность, W - плотность потока лазерного излучения, Тисп - температура испарения, То - начальная температура. Оценки, произведенные по формуле (22), показывают, что время до начала кипения для интенсивности 2,64105 Втсм-2 составляет порядка 0,2 мс и далее уменьшается как 1W2
(рис. 2.4). Для экспериментальной проверки того, что временная эволюция сигнала фотоэдс связана с кипением, была построена зависимость времени начала глобальных изменений (начала высокоамплитудных колебаний и достижения максимального значения фотоэдс) от плотности мощности. Эта Экспериментальные данные интерполировались степенной функцией с коэффициентом достоверности R2 = 0,92. Таким образом, степенной показатель, полученный из эксперимента, коррелирует со степенной зависимостью времени начала кипения от плотности мощности лазерного излучения в формуле (22).
Увеличение времени достижения максимального свечения эрозионного факела говорит о том, что при уменьшении плотности мощности, расплавление и дальнейшее кипение металла (которому сопутствует интенсивное горение железа) наступает позже. Т.е. сигнал несет не только информацию о температуре в самом эрозионном факеле (яркость), но также в каверне. Это подтверждается исследованиями, проведенными в [143].
Характерные особенности рельефа поверхности металлов при воздействии лазерного импульса
Исследование взаимодействия лазерного излучения с поверхностью различных материалов началось практически с момента создания лазерных генераторов. Наибольший интерес представляет промышленное применение лазерных технологий. Например, благодаря достижению практически дифракционного предела диаметра лазерного пучка, появилась возможность уменьшить обрабатываемую площадь двух свариваемых деталей. При нанесении различной информации на изготовленную деталь (лазерная маркировка) удалось избежать большой деформации поверхности. В этих и других многочисленных примерах применения лазерных технологий, проявляются различные гидродинамические явления, исследование которых носит не только прикладное, но и фундаментальное значение.
Цели и задачи
Цель: Исследовать общие закономерности формирования рельефа в зоне воздействия лазерного излучения и влияния на него органического покрытия.
1) Исследовать топологические особенности рельефа ОЦК металлов сплава Fe-Si, молибдена, вольфрама после воздействия на поверхность лазерного излучения;
2) На примере сплава Fe-Si исследовать закономерности объемного течения расплава в зоне воздействия лазерного излучения;
3) Исследовать влияние органического покрытия на топологию кратера и массоперенос в ванне расплава после воздействия лазерного излучения.
При физическом описании процессов лазерного воздействия на мишень (конвекция, распределение температуры) удобно выделить следующие свойства материалов: температура плавления Т, поверхностное натяжение а, плотность р, кинематическая вязкость rj, температуропроводность х. В главе исследуются ОЦК металлы: сплав Fe-Si, молибден, вольфрам. Свойства этих материалов для расплава (при температуре плавления) приведены в таблице 2.
Варьирование плотности мощности производили по методике, предложенной во второй главе диссертации. Металлографические исследования проводили на металлографическом микроскопе. Топологические измерения проводили на бесконтактном профилометре Wyko NT 9080 (длина волны излучения 670 нм). Облучение образцов проводили прямоугольной временной формой импульса лазерного излучения. Это позволило значительно увеличить значение плотности мощности пучка лазерного излучения [74].
В первой серии экспериментов изучали топологические особенности кратера, образующегося после воздействия лазерного излучения на поверхность сплава Fe-Si. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.1. Видно, что при облучении поверхности с интенсивностью 1,07105 Втсм-2 (рис. 3.1 а) происходит незначительное оплавление. Эту плотность мощности лазерного излучения можно принять за критическую плотность мощности, при которой происходит оплавление поверхности. Увеличение интенсивности лазерного излучения, наряду с оплавлением поверхности, приводит к формированию квазипериодического волнового рельефа. После воздействия лазерного излучения с интенсивностью 1,1105 Втсм-2 (рис. 3.1 б) на поверхности сплава Fe-Si отсутствует квазипериодический волновой рельеф. Указанная интенсивность является пороговой для образования волнового рельефа.
Высота поверхности застывшего расплава, относительно необлученной поверхности, при низких интенсивностях лазерного излучения не превышает 3-4 мкм (рис. 3.1 а-в), тогда как при облучении поверхности сплава Fe-Si высокими интенсивностями лазерного излучения подъем поверхности достигает 8 мкм (рис. 3.1 г-ж). Одновременно с этим происходит изменение кривизны поверхности. При малых плотностях мощности лазерного излучения (рис. 3.1 а-в) поверхность является гладкой с незначительным углублением 1 мкм между центром кратера и его периферией. По мере увеличения интенсивности лазерного излучения поверхность застывшего расплава является выпуклой (рис. 3.1 г-ж), одновременно с этим на исследуемой поверхности появляется квазипериодический рельеф. Искривление поверхности свидетельствует о формировании объема ванны расплава и существовании приповерхностных конвекционных потоков в расплаве. Основываясь на результатах исследований поверхности расплава [160,161] в момент воздействия лазерного излучения, можно сделать вывод, что возмущение, появляющееся на поверхности расплава, движется по течению от центра к периферии. Учитывая это можно сказать, что, формирование рельефа связано с конвективной неустойчивостью распространения поверхностной термокапиллярной волны. Из рис. 3.2 видно, что период рельефа на периферии кратера изменяется в 1,5 раза по отношению к центральной части.
Механизм массопереноса в объеме расплава сплава Fe-Si
Как было показано в третьей главе, в объеме расплава существует значительный массоперенос. Конвекционные потоки являются следствием двух основных механизмов: термокапиллярного и сил плавучести. Для оценки вклада поверхностного натяжения в механизм массопереноса служит безразмерное число Марангони. Оно определяется по известной формуле [174]: где от - коэффициент термокапиллярности, L - характеристическая длина (радиус капилляра), ц - динамическая вязкость расплава, X - температуропроводность жидкости, Т - разность температур между центральной частью кратера и его периферией. Для чистого железа ат = -0,39мНм-1К-1 [175], характеристическую длину примем равной L = 0,25 мм, г] = 4,710-3 Пас, х = 210-5 м2с-1, Т = (Tm0), Тпл = 1811 К (температура плавления), Го = 300 К (температура окружающей среды), таким образом Г = 1511 К, подставляя значения вышеперечисленных параметров, получим число Ма 1500. Оцененное значение числа Ма значительно превышает критическое число Марангони, необходимое для начала приповерхностной конвекции, которое составляет Ma 80 [27]. Оценка вклада сил плавучести производится по формуле [32]:
где g - ускорение свободного падения, /3 - коэффициент объемного расширения жидкости, L - характеристическая длина, v - кинематическая вязкость. Характерное значение числа Релея для данного процесса (после подстановки справочных величин) приближенно равно 2. Отношение объемных сил (Ra) к поверхностным (Ма) характеризуется динамическим числом Бонда [63]:
Число Во показывает преобладающий механизм конвекции в ванне расплава. При больших числах Во преобладает конвекция, обусловленная силами плавучести, при низких - наоборот поверхностные силы преобладают над объемными силами. При подстановке полученных значений чисел Марангони и Рэлея, получим, что число Во 0,001.
Таким образом, число Во 1 это означает, что в нашем случае существует преобладание поверхностных сил над объемными силами. Поэтому, конвекция, возникающая в расплаве, обусловлена действием поверхностных сил (сил Марангони). Конвективные потоки в объеме расплава возникают из-за наличия вязкости в жидкости – происходит передача момента количества движения из поверхностных слоев в объем расплава.
Волновые числа, получившихся волнообразных структур для лицевой и обратной стороны соответственно равны: для лицевой стороны k1 = 5,2105 м-1; для обратной стороны k2 = 106 м-1; для обратной стороны с покрытием k3 = 2,1104 м-1. Известно [50,89], что термокапиллярной неустойчивости сопутствует образование кольцевого периодического рельефа на поверхности металлов с характерным периодом 10-5-10-4 м. Достаточными условиями появления термокапиллярной неустойчивости являются: образование расплава на поверхности образца (которое происходит при 9104 Втсм-2); существование значительного радиального градиента температуры в ванне расплава ( 106 Км-1); существование теплового потока, направленного по нормали к поверхности расплава (например, в результате теплового излучения). Временной инкремент термокапиллярной неустойчивости составляет 103 с-1 для волновых чисел 105 м-1 [50], что сравнимо со временем воздействия лазерного излучения и характерными параметрами образовавшихся структур.
Таким образом, основным механизмом формирования рельефа кратера является термокапиллярная неустойчивость.
Как было показано в третьей главе канал полного проплавления имеет «чашеобразную» форму. Аналогичная форма канала полного проплавления наблюдалась в работе [176] при облучении поверхности нержавеющей стали непрерывным движущимся тепловым источником. Авторы продемонстрировали важность рассмотрения конвекции Марангони при облучении непрерывным движущимся источником тепла. В нашем случае на поверхность мишени действует импульсный неподвижный источник лазерного излучения. Исходя из этого, мы предлагаем другую формулировку компьютерного моделирования задачи формирования конвекционных потоков в момент воздействия лазерного излучения.
Далее выполнили моделирование конвекционных потоков в программе «Elmer 7.0» со свободной лицензией [177]. Предлагаемая модель конвекционных потоков справедлива для пластины железа при полном ее проплавлении, то есть через 1,4-1,6 мс после начала воздействия лазерного излучения для неподвижного источника тепла. Область расплава считали цилиндрической.
Моделирование проводили без учета деформации границы раздела газ-жидкость (рис. 4.4, цифра 2) и фазового перехода на границе жидкость-твердое тело (рис. 4.4, цифра 3).
