Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Фазовые переходы лежат в основе широкого круга процессов изменения состава, структуры и свойств материалов, протекание которых во времени определяется кинетикой переноса тепла и массы в твердых телах. Основной отличительной особенностью лазерного воздействия от других источников энергии является локальность. Локальность во времени определяет возможность получения большой мощности, локальность в пространстве определяет высокие плотности энергии, локальность в частотном диапазоне (монохроматичность) создает предпосылки для управления процессом поглощения излучения веществом. Поэтому классическая теория фазовых превращений, построенная на термодинамических представлениях о медленных процессах переноса тепла и массы во многих случаях воздействия лазерного излучения оказывается неприменимой и требует существенной модификации.
Абляция (разрушение, сопровождающееся удалением продуктов) является либо целью лазерной обработки (например, для резки, сверления отверстий, напыления и локального удаления пленок, в лазерной хирургии), либо ограничивает области допустимых режимов модификации материалов.
За последние 30 лет опубликовано несколько великолепных книг, посвященных как общим вопросам взаимодействия излучения с веществом, так и конкретным применениям лазеров, а также тысячи оригинальных статей. В классических работах С.И.Анисимова, Дм.Рэди, А.А.Углова было положено начало развития теорий лазерного нагрева вещества и была разработана тепловая модель квазистационарного движения границы раздела фаз, которая широко используется для описания кинетики лазерной абляции материалов.
Необходимость анализа существенных в реальной ситуации факторов (таких как многокомпонентность вещества, объемный характер
поглощения света, неоднородность распределения интенсивности тепловых источников в Пространстве и во времени, нестационарность, неизотермичность и нердномерность протекающих процессов),потребовала значительного усложнения- физических и математических моделей. Включение в расчетную схему большого числа параметров и развитие вычислительных методов привело к известной утрате общности анализа, что затрудняет использование конкретных расчетов для описания и прогнозирования результатов лазерной обработки.
Аналитические методы решения задач теплопроводности для областей с подвижными границами раздела фаз интенсивно развивались в работах Г.А.Гринберга, Э.М.Карташова, Б.Я.Пюбова и других исследователей. Н.В.Карловым,. Н.А.Кириченко, .М.Н.Либенсоном, Б.С.Лукьянчуком разработаны основы теории лазерно-стимулированных термохимических реакций, в том числе на поверхности твердых тел. В последние годы заметно вырос интерес к лроблемам лазерной абляции многокомпонентных материалов. Значительный вклад в развитие этого направления внесли работы С.С.Алимпиёва, П.Даера, Р.Шринивасана.
Расширение круга обрабатываемых лазерным излучением материалов, углубление и детализация существующих знаний привели к определенной разобщенности исследований, проводимых применительно к различным материалам и технологическим процессам. Поэтому представляется актуальным выявить и проанализировать общие механизмы и закономерности, которые проявляются при лазерном воздействии на различные реальные объекты: металлы, сплавы, окислы, горные породы, высокотемпературные сверхпроводники; . твердые биологические .'ткани и др.'
UEfTpM НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является исследование кинетики фазовых гі'реврдщенйй, . механизмов и кинетики абляции в многокомпонентных Твердых, телах с. учетом общих', особенностей лазерного воздействия, таких . как"'поглощение излучения ' веществом, . нестационарность
теплопереноса, неизотермичность фазовых переходов, лимитирующая роль массопереноса и процессов на границах раздела фаз.
Основными методами проведения исследований являются теоретические методы. Эксперименты проводились, главным образом, для проверки теоретических положений и выводов в тех случаях, когда литературных данных было недостаточно. Мы попытались, с одной стороны, разобраться в деталях физических механизмов и проанализировать условия их проявления, а, р другой стороны, использовать (там, где это возможно) аналитические модели с тем, чтобы получить конечные формулы в наиболее простом и удобном виде, позволяющем быстро проводить расчеты основных параметров. Наш план -постепенное усложнение моделей путем последовательного анализа роли различных факторов и процессов, а затем исследование предельных случаев применительно к конкретным ситуациям лазерной резки материалов, упрочнения сплавов, очистки поверхности, напыления, модификации и полировки пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), лазерной абляции костной ткани и изменения формы хрящей. При этом подчеркивается взаимная связь и общность различных процессов при лазерной обработке многокомпонентных твердых тел. Разумеется, автор не ставил перед собой задачи дать полный анализ процессов лазерной обработки материалов. Вне подробного рассмотрения остались такие важные физические проблемы, как поглощение излучения веществом, плавление и гидродинамика движения расплава, развитие плазменного облака, образование на поверхности твердых тел различных периодических структур и др,
-
С единых позиций теории фазовых переходов выявлены, и проанализированы общие закономерности модификации и абпяиии многокомпонентных твердых тел под действием лазерного излучения.
-
Развит новый метод аналитического решения нестационарных
задач теплопроводности для областей с перемещающимися границами раздела фаз.
3. Определены условия плавных и колебательных режимов фазовых
переходов при постоянной интенсивности лазерного воздействия и
неизменных свойствах облучаемых материалов.
4. Получено точное аналитическое решение трехмерной задачи
теплопроводности для одновременно протекающих двух фазовых переходов
с неплоскими поверхностями раздела фаз.
-
Впервые исследована кинетика неизотермической аустенизации стали на основе совместного анализа тепловой и дифуэионной задач.
-
Впервые теоретически исследован сдвиг "С"-образных диаграмм распада аустенита при лазерном упрочнении железоуглеродистых сплавов. Показано, что критическая скорость охлаждения при лазерной закалке стали значительно выше, чем при традиционных методах термической обработки.
-
Получено приближенное выражение для эффективного коэффициента массопереноса, обобщающее различные механизмы переноса газов в пористых слоях новой фазы, и сформулировано новое граничное условие для задач теплопроводности, описывающих кинетику термохимических реакций.
-
Предложен и исследован новый механизм лазерной абляции материалов, связанный с осцилляциями давления газов, выделяющихся при термическом разложении многокомпонентных твердых тел.
-
Предсказана и впервые экспериментально продемонстрирована возможность модификации и полировки ВТСП - пленок излучением эксимерного лазера.
-
Определены условия образования, вычислены размеры и средняя скорость движения макрочастиц при лазерной абляции ВТСП и других многокомпонентных материалов.
11. Впервые исследована роль диффузионно-лимитированного
процесса карбонизации при лазерном нагреве и абляции твердых . биологических тканей.
12. Предсказана и экспериментально обнаружена возможность релаксации напряжений и управляемого изменения формы при локапьнои лазерной обработке хрящевой ткани.
-
Развит подход к анализу различных нестационарных задач теплопроводности с подвижными границами раздела фаз.
-
Получены относительно простые аналитические соотношения, позволяющие исследовать взаимное влияние различных параметров и рассчитывать основные характеристики процессов лазерной обработки материалов.
-
Развита модель процесса лазерной резки массивных в тепловом отношении материалов.
-
Разработана модель для расчета толщины упрочненного слоя, позволяющая оптимизировать режимы лазерного упрочнения стали.
-
Развиты методы лазерной очистки поверхности изделий из природного камня.
-
Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии лазерного напыления и модификации пленок ВТСП.
7. Предложен новый метод лазерной полировки тонких ВТСП пленок.
-
Исследованы физические и химические процессы, определяющие эффективность применения лазеров для обработки твердых биологических тканей.
-
Предложено новое применение лазеров в медицине для коррекции формы хрящей.
10. Разработаны рекомендации по оптимизации процесса лазерного
напыления биологически совместимых покрытий.
1. В условиях лазерного воздействия возможны два типа режимов
нестационарных фазовых переходов, при которых температура и скорость
движения межфазной границы меняются со временем монотонным или
колебательным образом. Область колебательных режимов определяется
соотношением интенсивности лазерного излучения, коэффициента
поглощения света веществом и теплоты фазового перехода.
2. Кинетика фазовых превращений при лазерной обработке
многокомпонентных твердых тел во многих . случаях лимитируется
процессами объемного переноса массы. Механизм массопереноса газов в
пористых слоях новой фазы оказывает существенное влияние на характер
режимов лазерных термохимических реакций, в частности определяет
немонотонные зависимости скорости процесса от температуры и внешнего
давления атмосферы, а также возможность и время установления
квазистационарного режима движения межфазной границы.
3. Диффузия углерода лимитирует процесс лазерного упрочнения
железоуглеродистых сплавов как при диффузионном так и при
бездиффузионном механизмах аустенизации стали.
4. Общим для различных многокомпонентных твердых тел (например,
таких, как окислы, горные породы, высокотемпературные
сверхпроводники, твердые биологические ткани) является
низкоэнергетический механизм лазерной абляции, протекающий при
относительно невысоких температурах и обусловленный резким
повышением давления выделяющихся газов. В результате действия такого
механизма из мишени вылетают макроскопические твердые частицы,
которые оказывают значительное влияние на скорость абляции и
качество лазерной обработки (шероховатость поверхности, размеры зоны
повреждений и др.). Условия проявления кластерного механизма абляции
и размеры макрочастиц определяются плотностью мощности лазерного
излучения (т.е. зависят не только'от длительности, но и от формы
лазерного импульса) и толщиной поглощающего слоя.
5. Целенаправленное изменение механизмов и скорости абляции
обуславливает возможность управления составом, структурой и
физическими свойствами пленок многокомпонентных материалов, что
позволяет получать гладкие сплошные пленки ВТСП, обладающие высокими
электрическими характеристиками.
6. Проблемы, от решения которых зависит возможность и
эффективность применения лазеров в медицине, во многом имеют
физическую природу, общую для различных многокомпонентных,
материалов, подвергающихся действию лазерного излучения. Результаты
исследований диффузионно-лимитируемых химических реакций, фазовых
переходов и абляции создают предпосылки для управления механизмами и
кинетикой модификации и абляции твердых биологических тканей и, тем
самым, для оптимизации режимов лазерной обработки.
Таким образом, выполненные исследования развивают научное направление - фазовые превращения и абляция при лазерной обработке многокомпонентных твердых тел.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на IV и V Всесоюзном совещании, VI - VIII Всесоюзных конференциях по нерезонансному взамодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978, 1981, 1988, 1990, Лаланга, t984), I и II Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск 1988, 1992), X Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Москва, 1989), Всесоюзных конференциях по применению лазеров в науке и технике (Ленинград, 1980, 1983), II Всесоюзной конференции по применению лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации (Ленинград, 1984), VII и VIII Всесоюзных конференциях "Комплексные
исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1981 и 1984 г.г.), II Всесоюзной конференции "Механика неоднородных структур" (Львов, 1987), Международной школе "Лазеры и их применения (Саяногорск, 1989), European Conference on High-T Thin Films and Single Crystals (Ustron, Poland, 1989), Международной школе "Лазерная микрсобработка поверхности" (Ташкент, 1989), Всесоюзном семинаре "Лазерная техника и технология (Вильнюс, 1988), II - V Всесоюзных семинарах по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Одесса, 1981, 1982, 1984, 1987 г.г.), Международной конференции по перспективным и лазерным технологиям (Москва, 1992), Всесоюзном совещании по проблемам физики твердого тела (Таллин, 1990), III Всесоюзном совещании "Физико-химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Звенигород, 1991), Международной конференции "Лазеры и их применения" (Шатура, 1993), Международной конференции "Biomedical Optics Europe" (Budapest, 1993), IV Советско-Германском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (С.-Петербург, 1991), II Советско-греческом семинаре "Лазеры и их применения" (Москва, 1991), Международном Симпозиуме "Biomedical Optics'94" (Los AngeTes, 1994). Материалы диссертации докладывались также на научных семинарах различных организаций (НИЦТЛ РАН, ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, МИСиС, ЛИТМО, ИМЕТ РАН, Институт проблем механики РАН, Национальный Центр лазерной медицины России).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 обзорах и 27 статьях, список которых приведен в конце автореферата.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Материал диссертации изложен на 318 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 11 таблиц, библиографию из 616 наименований.