Введение к работе
Актуальность работы
Лазеры предоставляют уникальные возможности в технологии материалов, включая экстремальные значения плотности потока энергии и времени воздействия, высокую пространственную точность обработки и лёгкость управления лазерным инструментом. Поэтому они стали применяться для обработки материалов практически с момента возникновения. Теоретические основы тепловых процессов, подобных тем что возникают при взаимодействии лазерного излучения с конденсированной фазой, были заложены в работах Рыкалина [1] ещё до открытия лазеров. Характерные физические процессы рассматривались в монографиях Зельдовича и Райзера [2], Анисимова, Имаса, Романова и Ходыко [3], Рэди [4], Вейко и Либенсона [5], Рыкалина Углова и Кокоры [6].
Современные представления о взаимодействии излучения с веществом в процессах лазерной обработки материалов анализируются в монографиях Рыкалина, Углова, Зуева и Кокоры [7], Веденова и Гладуша [8], Григорьянца [9] Углова, Смурова, Лашина и Гуськова [10], Стина [11], Гладуша и Смурова [12], коллективных монографиях под редакцией Гарнова и Самохина [13], Панченко [14] и других. Постоянно развиваются физические модели лазерной плазмы, например в работах Мажукина с соавторами [15], и модели взаимодействия высокоэнергетических лазеров с конденсированной фазой [16]. В последнее время возникло много новых технологий получения и обработки материалов, основанных на применении лазеров, например, нашедших отражение в монографиях Вейко и Метева [17], Шишковского [18], Ядройцева [19], Булгакова и др. [20].
Технология лазеров сама по себе - относительно новая и быстро развивающаяся отрасль, и в применении лазеров для получения и обработки материалов часто возникают нестандартные ситуации, требующие понимания физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Поэтому тема диссертационной работы Гусарова А.В., которая направлена на теоретическое исследование воздействия лазерного излучения на конденсированные вещества, необходимое для создания физических основ лазерной технологии получения материалов с определенными свойствами, является актуальной.
Диссертационная работа выполнена в Лаборатории лазерной обработки материалов ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН при поддержке: грантов РФФИ 08-08-0023 8-а "Сопряжённые задачи механики и физики лазерного излучения в процессах быстрого прототипирования трёхмерных металлообъектов" и 09-08-90412-Укрфа "Моделирование процессов тепло- и массообмена в ванне расплава, парогазовом канале и плазменном факеле при лазерной сварке металлов с глубоким проплавлением" и международных проектов ИНТ АС 03-51-4206 "Улучшенные нанокомпозитные трибо-адаптивные покрытия для самолётостроения", 99-1559 "Получение высококачественных зубных протезов
селективным лазерным спеканием", 93-3676 и 93-3676ext "Лазерно-плазменный и плазменно-дуговой синтез и обработка порошковых материалов в химически активной атмосфере".
Цель работы - теоретическое исследование воздействия лазерного излучения на конденсированные вещества, необходимое для создания физических основ лазерной технологии получения материалов с определенными свойствами.
Методы исследования:
Построение физических моделей исследуемых физических явлений и технологических процессов и их математическая формулировка.
Разработка соответствующих численных моделей и расчёты по ним.
Анализ результатов расчёта и их сравнение с экспериментальными данными.
Заключение о наиболее важных физических механизмах и возможная корректировка физических моделей.
Формулировка критериев оптимальности технологических процессов и разработка методики оптимизации.
Научная новизна
В работе развито новое научное направление, связанное с использованием математического моделирования газовых потоков и процессов переноса в порошках при лазерной обработке материалов и получен ряд новых научных и прикладных результатов:
Получены новые численные результаты, описывающие сильную конденсацию при температурных отношениях, значительно отличающихся от единицы. Впервые получены аналитические модели газодинамических граничных условий, удовлетворительно описывающие сильную конденсацию в указанных условиях.
Впервые рассчитана степень ионизации пара, образующегося при сильном испарении металлов, что позволило впервые составить полную систему газодинамических граничных условий для сильного испарения с образованием ионизованного газа.
В рамках многофазной модели переноса излучения впервые получено явное выражение для векторого уравнения переноса излучения в двухфазной гетерогенной среде.
Для упакованных слоев впервые предложена формула, связывающая эффективную теплопроводность с пористостью, координационным числом и тепловым сопротивлением отдельного контакта. Предложена оригинальная методика расчёта теплового сопротивления контакта между частицами, учитывающая перенос через газовый зазор, позволившая построить модель эффективной теплопроводности порошковых слоев, не содержащую эмпирических параметров.
Разработана тепловая модель лазерной абляции, оригинальность которой заключается в применении строгих газодинамических граничных условий конденсации, полученных численными расчётами кнудсеновского слоя.
Впервые предложена модель газофазной химической кинетики в паре углерода, не предполагающая равновесия между поступательными и внутренними степенями свободы молекул.
Впервые теоретически получена универсальная зависимость коэффициента поглощения оптически толстого слоя порошка непрозрачного материала от коэффициента поглощения твёрдой фазы. Она подтверждена экспериментально.
Разработанная модель совместного переноса излучения и тепла при селективном лазерном плавлении впервые позволила теоретически оценивать устойчивость этого процесса.
Научная и практическая значимость полученных результатов
Научные результаты могут быть использованы при разработке математических моделей физических процессов и разработке и оптимизации технологий, а именно:
Полученные газодинамические граничные условия сильных испарения и конденсации для нейтрального и ионизованного газов могут использоваться при разработке математических моделей лазерной абляции и оптического пробоя.
Разработанная многофазная модель переноса излучения применима для расчета взаимодействия лазерного излучения с гетерогенными средами, в том числе порошковыми слоями, а также для оценки их эффективных радиационных свойств.
Предложенная модель дискретных сопротивлений может применяться для оценки эффективной теплопроводности порошковых и упакованных слоев по их пористости, координационному числу, размеру частиц и физическим свойствам материалов без использования подгоночных параметров.
Построенная тепловая модель наносекундной лазерной абляции применима для разработки и оптимизации технологий лазерной обработки материалов и импульсного лазерного осаждения.
Разработанная модель газофазной химической кинетики применима для расчётов гомогенной нуклеации в газообразных продуктах лазерной абляции, что, в свою очередь, может быть полезно для разработки технологий лазерного синтеза ультрадисперсных материалов.
Построенные вычислительные модели селективного лазерного спекания/ плавления применимы для разработки и оптимизации технологий быстрого прототипирования и изготовления функциональных деталей сложной формы.
Полученные результаты могут использоваться в институтах, исследующих рассмотренные процессы и разрабатывающих соответствующие технологии, в
том числе: ИМЕТ РАН им. Байкова, ИОФ РАН им. Прохорова, ИПЛИТ РАН, ИПМ РАН им. Келдыша, ИТПМ СО РАН им. Христиановича, ИТ СО РАН им. Кутателадзе, МГТУ им. Баумана, МИФИ, СПбГУ ИТМО, ТРИНИТИ и ФИАН им. Лебедева.
На защиту выносятся:
Результаты численных расчётов кнудсеновского слоя и газодинамических граничных условий при сильной конденсации на поверхности раздела пара и его конденсированной фазы в широком интервале температурных отношений от 0.1 до 10 и аналитические модели этих граничных условий, пригодные для использования в указанном интервале, в том числе при моделировании наносекундной лазерной абляции.
Результаты совместных численных расчётов кнудсеновского слоя и плазменной оболочки при сильном испарении металлов, дающие степень ионизации и температуры электронов и тяжёлых частиц образующегося пара, выявившие повышение степени ионизации по сравнению с равновесной.
Вывод системы уравнений переноса излучения в многофазной гетерогенной среде на основе модели многофазного уравнения переноса, в которой излучение характеризуется набором значений его интенсивности, усреднённой в каждой фазе по отдельности, пригодной в том числе для моделирования переноса лазерного излучения в порошковых слоях.
Методика расчёта эффективной теплопроводности порошковых слоев по пористости, координационному числу и сопротивлению отдельного контакта между двумя частицами, не использующая подгоночные параметры, разработанная в рамках модели дискретных тепловых сопротивлений и включающая расчёт контактного сопротивления с учётом теплопереноса в газовой фазе.
Модель образования кластеров при быстром расширении пара с учётом детальной химической кинетики газофазных реакций в условиях отсутствия теплового равновесия между внутренними и поступательными степенями свободы, выявившая значительную разницу между поступательной и внутренней температурами кластеров в факеле наносекундной лазерной абляции.
Вычислительная модель совместного переноса лазерного излучения и тепла при селективном лазерном плавлении и результаты численного моделирования, позволяющие оценивать устойчивость процесса и оптимизировать его параметры.
Вычислительная модель взаимного влияния кинетики спекания и теплопереноса при селективном лазерном спекании, нашедшая экспериментальное подтверждение для титановых порошков и выявившая механизм повышения устойчивости данного технологического процесса.
Публикации и личный вклад автора
Основное содержание диссертации опубликовано в 28 статьях в рецензируемых научных журналах, список которых приведён в конце автореферата, выполненных единолично, либо в соавторстве со специалистами ряда научных учреждений и вузов (ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН, ИПЛИТ РАН, МИФИ, Юго-Западный государственный университет, Курск, Высшая инженерная школа Сэнт-Этьена, Франция, Католический университет Лёвена, Бельгия, Университет Киото, Япония).
Основные теоретические и расчётные результаты получены лично автором. Экспериментальные результаты получены автором лично, под его непосредственным руководством аспирантами, либо при его консультативном участии. Личный вклад автора в статьях (см. список) отражен следующим образом:
По п.п. 16, 18, 23-25, 28 - выполнены без соавторов.
По п.п. 1-7, 9-12, 17, 19, 20, 22 - выполнены численные расчёты и написан основной текст, анализ литературных экспериментальных данных - в соавторстве.
По п.п. 8, 26 - написан раздел моделирования, обсуждение результатов - в соавторстве.
По п.п. 13, 27 - написано в соавторстве обсуждение результатов.
По п.п. 14 - выполнено моделирование и получены в соавторстве экспериментальные данные, написан основной текст.
По п.п. 15, 21 - выполнено численное моделирование и написан основной текст.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены автором на семинарах в следующих организациях:
ИМЕТ РАН 05 ноября 2008 г. (председатель А.Г. Колмаков);
ИПЛИТ РАН 19 февраля 2009 г. (председатель СВ. Голубев);
ИОФ РАН 01 марта 2010 г. (председатель И.А. Щербаков);
ИМЕТ РАН 03 марта 2010 г. (председатель Л.И. Иванов);
ИМЕТ РАН 05 июля 2010 г. (председатель М.И. Алымов);
и представлены на следующих международных конференциях:
2-й Европейский конгресс по обработке термической плазмой (Париж, 7-9 сентября 1992 г.);
12-й Международный симпозиум по плазменной химии (ISPC) (Миннеаполис, США, 1995 г.);
13-й -"- (Пекин, 18-22 августа 1997 г.);
14-й -"- (Прага, 2-6 августа 1999 г.);
5-я Международная конференция по лазерным технологиям (Шатура, 24-26 июня 1995 г.);
Международная конференция по лазерным микротехнологиям 2000 (Санкт-Петербург, 23-25 августа 2000 г.);
Конференция Европейского общества исследования материалов (EMRS), (Страсбург, 1996 г.);
-"- (Страсбург, 1999 г.);
-"- (Страсбург, 2000 г.);
-"-(Страсбург, 2006 г.);
-"-(Ницца, 2007 г.);
-"- (Страсбург, 2008 г.);
9-я Европейская конференция по быстрому прототипированию (Париж, 7-8 июня 2001 г.);
15-я -"- (Париж, 3-4 марта 2007 г.);
Международная конференция по термическому напылению (Эссен, Германия, 4-6 марта 2002 г.);
Конференция "Лазеры в производстве" (LIM) (Мюнхен, июнь 2003 г.);
-"- (Мюнхен, июнь 2009 г.);
-"- (Мюнхен, май 2011 г.);
1-я Международная конференции по исследованиям виртуального и быстрого прототипирования (Лерия, Португалия, 1-4 октября 2003 г.);
Конференция по Динамике разреженных газов (Бари, Италия, июль 2004
г.);
Конференция по Интегральным методам в науке и производстве (Сантандер, Испания, июль 2008 г.);
6-я Международная конференция по лазерному формованию (21-24 сентября 2010 г., Эрланген, Германия).
Результаты исследований используются в учебном процессе в Высшем инженерном училище г. Сэнт-Этьен (Франция).
Структура и объём диссертации
Диссертация общим объёмом 290 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 257 наименований и содержит 96 рисунков и 17 таблиц.
