2
Содержание
Введение
Глава 1. Моделирование процессов фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах в процессах лазерной поверхностной термообработки 19
1.1. Лазерная поверхностная термообработка металлов. Анализ физических процессов и выбор теоретической модели 20
1.2. Кинетика процесса лазерной аустенитизации сталей 27
1.3. Роль внутренних механических напряжений при лазерной аустенитизации сталей и последующей закалке 35
1.4. Смещение температуры начала аустенитного превращения в сталях при лазерном нагреве 44
1.5. Теоретический и численный анализ оптимальных режимов лазерного упрочнения сталей 51
1.6. Лазерная сварка металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления 65
1.6.1. Режим глубокого проплавления как оптимальный режим для
технологий импульсной лазерной сварки. Экспериментальные результаты. 65
1.6.2. Теоретическое моделирование процессов импульсной лазерной сварки металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления 71
Выводы к Главе! 79
Глава 2. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными
импульсами низкой плотности энергии. 83
2.1 Особенности абляции мстаплов ультракороткими лазерными
импульсами: экспериментальные результаты 83
2.2. Абляция металлов ультракороткими лазерными импульсами: теоретическое моделирование 86
2.3. Пороги абляции металлов при воздействии на них ультракоротких лазерных импульсов с энергией вблизи порога абляции 92
2.4. Лазерная абляция металлов пикосекундны.ми импульсами низкой плотности 100
Выводы к Главе 2 106
Глава 3. Моделирование процессов лазерной абляции органических материалов и полимеров 108
3.1. Отличительные черты лазерной абляции полимеров. Экспериментальные результаты. 108
3.2. Механизмы лазерной абляции полимеров 112
3.3. Теоретическое моделирование УФ лазерной абляции полимеров 119
3.3.1. Сильнопоглощающие полимеры. 123
3.3.2. Слабопоглощающие полимеры. 126
3.4. Термодинамические особенности "холодной" абляции полимеров 131 Выводы к Главе 3 134
Глава 4. Теоретическое моделирование лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков 135
4.1. Лазерные технологии в применении к полупроводникам 135
4.2. Экспериментальные результаты по лазерному травлению широкозонных полупроводников и диэлектриков и их анализ 138
4.3. Механизмы нелинейного поглощения и пороги абляции в широкозонных полупроводниках и диэлектриках при воздействии лазерными импульсами фемтосекундной длительности 145
Выводы к Главе 4 151
Глава 5. Теоретическое моделирование процессов лазерного
наноструктуирования материалов....................................152
5.1. Лазерные технологии прямого нано- и микроструктуирования
поверхности материалов 152
5.2. Особенности лазерного нано- и микроструктуирования поверхности
металлов. Экспериментальные результаты 156
5.3. Теоретическое моделирование процессов нанокристаллизации металлов под действием лазерных импульсов 167
5.4. Критерий лазерной аморфизации 180
Выводы к Главе 5 181
Заключение. Основные результаты . 183
Список литературы
189
5
Введение
В 2010 году исполнилось и широко отмечалось мировой научной общественностью 50 лег со дня создания лазеров. Практически столько же развиваются и лазерные технологии, в том числе, лазерные технологии, основанные на поверхностной обработке материалов, приводящие к модификации структуры и свойств материалов [1-11]. С помощью лазерного луча можно с высокой скоростью и предельной точностью раскроить любые, в том числе и сверхпрочные, материалы, прочно сварить даже качественно разнородные вещества, например, металл и керамику, пробить глубокие, тонкие отверстия в сверхпрочных материалах, закалить и повысить износостойкость деталей машин и режущего инструмента.
Стимулом к развитию лазерных технологий в последнее время является прогресс в развитии лазерной техники, генерирующей импульсы излучения короткой и ультракороткой длительности. Деление на длинные, короткие и ультракороткие длительности лазерных импульсов, появившееся в литературе, условно и предполагает длинными лазерные импульсы от миллисеунд до микросекунд, короткими - нано- и пикосекундные импульсы и ультракороткие субпикосекундные и фемтосекундные длительности импульсов. Активно идет процесс усовершенствования и удешевления фемтосекундной лазерной техники, которая зарекомендовала себя как эффективный инструмент в области лазерных применений [12-21]. Кроме того, в последние годы в лазерной технологии все шире используются твердотельные лазеры с диодной накачкой, генерирующие излучение с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне [22-24]. Преимущества этих лазеров связаны с их малыми размерами, хорошим качеством пучка и высокой эффективностью.
Вопросам взаимодействия лазерного излучения с веществом посвящено большое количество монографий и журнальных публикаций (см., например, [10, 25-29] и ссылки в них). Историческим импульсом для начала
6
активного и всестороннего исследования физических основ взаимодействия лазерного излучения с веществом можно считать высказанную уже более 40 лет назад Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным идею использования лазеров в управляемом термоядерном синтезе [30]. В основополагающих работах
О.Н. Крохина и Ю.В. Афанасьева того времени [31-33J была представлена физическая картина процессов, происходящих при воздействии на твердое тело лазерных импульсов наносекундной и большей длительностей с различными интенсивностями.
Во время действия лазерного импульса энергия излучения сначала поглощается электронами в области проникновения излучения в вещество, затем за счет процессов теплопроводности передается вг лубь материала и в решетку посредством элсктрон-фонониого взаимодействия. Механизмы поглощения лазерного излучения электронами могут быть как линейными, так и нелинейными. Нелинейное поглощение света при воздействии лазерного излучения высокой интенсивности широко обсуждается в литературе, т.к. определяет эффективность ультракороткого лазерного воздействия на прозрачные материалы, такие как широкозонные полупроводники и диэлектрики [34-38]. Ультракороткие лазерные импульсы быстро нагревают электронную систему до температур порядка десятков тысяч 1радусов, сохраняя решетку при комнатной температуре. Передача энергии от электронов фононам решетки происходит за несколько никосекунд. Особенности кинетики процессов германизации электронов, передача энергии от электронов в решетку, времена этих процессов рассматриваются в ряде публикаций [10,39]. Нагретая область становится источником тепловой волны, распространяющейся внутрь тела (процессы теплопроводности при воздействии фемтосекундных импульсов на металлы в неравновесных условиях рассмотрены в [40,41]).
При достаточно высоких интенсивностях лазерного воздействия могут наблюдаться структурные и фазовые изменения, такие как полиморфные
7
превращения, плавление, испарение с возможным образованием лазерной плазмы и абляция с удалением с поверхности атомов или отдельных фрагментов исходного материала [10,25-28,42-48].
Дозируя тепловые нагрузки (плотность мощности лазерного излучения на поверхности материала), можно обеспечить практически любой температурно-временной режим нагреваемого участка. Диапазон интенсивностей в лазерной технологии очень широк от 104 до 1013 Вт/см2 и определяется параметрами материала и технологическим процессом. Соответственно широк диапазон длительностей лазерных импульсов, используемых в различных лазерных технологиях: от миллисекунд - до фемтосекунд. Выбор режима определяет вид технологической обработки.
В настоящее время разработаны и применяются следующие виды технологических процессов лазерной обработки: термообработка
поверхности, резка и сварка материалов, наплавка, отжиг, травление, сверление отверстий, маркировка поверхностей, лазерное письмо и т.д. В результате протекающих фазовых и структурных изменений возможно образование наноструктур на поверхности материала, внутри материала, а также наночастиц вне него.
Интенсивный рост внедрения методов поверхностной лазерной модификации материалов в производство и медицину делает все более актуальной проблему оптимизации режимов лазерного воздействия. Оптимизация включает в себя выбор способа лазерного воздействия и параметров лазерного импульса с целью контролируемого воспроизводимого получения структуры с требуемыми физическими и механическими свойствами.
Решение этой задачи выдвигает на первый план изучение особенностей фазовых и структурных превращений в материалах при лазерном воздействии.
Настоящая диссертационная работа посвящена построению моделей, теоретическому и численному анализу физических явлений, происходящих в материалах в процессах лазерных поверхностных воздействий.
Актуальность темы диссертации
В диссертации представлены модели физических процессов, лежащих в основе ряда лазерных технологий, широко используемых в производстве, науке и медицине или планируемых к использованию. Необходимость оптимизации режимов лазерного воздействия для реализации практических применений на основе теоретического и численного анализа определяет актуальность выбранной тематики.
Цель работы
Целью работы было выявление физической картины процессов импульсной лазерной поверхностной обработки различных материалов, построение теоретических и численных моделей для оптимизации режимов лазерного воздействия (выбора интенсивности и длительности лазерного импульса).
Постановка задачи
Задачей теоретических исследований, представленных в диссертационной работе, явилось комплексное исследование физических процессов, лежащих в основе лазерных технологий с использованием лазерных импульсов; построение на основе этих исследований теоретических моделей; определение технологических характеристик и оптимальных режимов лазерного воздействия для реализации соответствующих лазерных технологий. Были выбраны технологии, охватывающие широкий диапазон параметров лазерных импульсов: длительностей лазерных импульсов г (от миллисекунд до фемтосекунд) и интенсивностей q (от 102 Вт/см2 до 10й Вт/см2). К рассматриваемым процессам относятся процессы, определяющие следующие лазерные технологии:
л ^ л
• Лазерная закалка сталей (Глава 1): ц - (10 - КГ) Вт/см , г ~ (1-10) мс.
• Лазерная сварка металлов в режиме глубокого проплавления (Глава 1):<? ~(104- 106) Вт/см2,т~(1-10) мс.
• Лазерная абляция ультракороткими лазерными импульсами металлов (Глава 2): ц ~ (1012 - 1013) Вт/см2, г ~ (100фс-10пс), полимеров (Глава 3): ц ~ (107 - 1012) Вт/см2, г ~ (300фс-20нс) и широкозонных полупроводников и диэлектриков (Глава 4): <7 ~ (1013 - 1014) Вт/см2, г ~ 100 фс.
• Лазерное наноструктуирование материалов (Глава 5). Для режима лазерной нанокристаллизации металлов возможно использование длительности импульса от миллисекунд до фемтосекунд в зависимости от материала, его свойств и структуры. Определяющим является реализуемая после окончания действия лазерного импульса скорость охлаждения материала.
Представленные в диссертации исследования проводились в тесном контакте с экспериментальными группами.
Работы по моделированию процессов термоупрочнения и глубокой сварки металлов и сплавов длинными (миллисекундными) импульсами лазерного излучения проводились в сотрудничестве с Самарским филиалом ФИАН, г. Самара, Институтом физики твердого тела, г. Дрезден (Германия), а также с Инженерным факультетом Университета г. Нагойя (Япония) и Институтом сварки г. Осака (Япония). Эксперименты по лазерной закалке сталей с использованием режима лазерного нагрева с выдержкой (трехстадийного цикла лазерного нагрева) были инициированы работами автора и реализованы в Самарском филиале ФИАН, г. Самара, и Институте физики твердого тела, г. Дрезден (Германия).
Работы но теоретическому моделированию лазерной абляции металлов и полимеров ультракороткими лазерными импульсами проводились в рамках совместного научного проекта с Лазерным центром г.
10
Ганновера (Германия). Работы по лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков мощными фемтосекундными импульсами лазерного излучения - в сотрудничестве с Центром высокотехнологичных материалов Университета Нью Мехико, г. Альбукерке (США). Работы по лазерному наноструктуированию - в сотрудничестве с группой полупроводниковых лазеров ФИАН, г. Москва.
Нацеленность теоретических исследований на оптимизацию режимов технологических процессов лазерной обработки определила, с одной стороны, выбор исследуемых лазерных режимов, с другой стороны, - выбор методики теоретических исследований.
Лазерные технологии поверхностной обработки используют режимы лазерного воздействия, работающие вблизи порогов соответствующих структурных или фазовых превращений, лежащих в основе технологического процесса. Так, процессы лазерной аустенитизации протекают в области температур нагрева между порогом начала полиморфного превращения и температурой плавления. Лазерная сварка: от температуры плавления до начала температуры испарения и т.д. Соответствующие диапазоны длительностей и интенсивностей лазерного излучения представлены выше. Исследованию физики процессов на границе пороговых режимов и определению пороговых характеристик уделено особое внимание в диссертации.
Отличительной особенностью проведенных теоретических исследований была также нацеленность на получение аналитических выражений, описывающих технологические характеристики процесса. К ним относятся температурные профили нагрева и охлаждения, зависимости глубин закалки, проплавления (сварного шва), абляции (травления), а также зависимости пороговых значений плотности энергии лазерного импульса и скоростей соответствующих процессов от параметров лазерного импульса (интенсивности и длительности) и термодинамических характеристик
метсриала (ширины запрещенной зоны, энергии активации и т.п.). Наличие таких явных зависимостей облегчает сравнение с экспериментальными результатами и позволяет прогнозировать выбор оптимальных режимов лазерного воздействия.
На момент постановки задачи для каждой из перечисленных выше технологий был определен круг задач, необходимых для решения. Широкий диапазон интенсивностей и длительностей лазерных импульсов позволил автору исследовать различные механизмы фазовых превращений по мере увеличения интенсивности и уменьшения длительности лазерного импульса. Были исследованы полиморфные превращения (аустенитизация сталей) при лазерном на!реве без плавления поверхности, процесс плавления и образование глубокого парогазового канала (сварного шва) (Глава 1); процессы абляции металлов (Глава 2) и полимеров (Глава 3) ультракороткими лазерными импульсами; механизмы нелинейного поглощения света в прозрачных материалах - широкозонных полупроводниках и диэлектриках (Глава 4), а также кинетика процесса рекристаллизации металлов при скоростном охлаждении из расплава после окончания действия лазерного импульса (Глава 5).
Научная новизна
Для каждой из исследуемых лазерных технологий были рассмотрены процессы и построены модели, не существующие или разработанные не в достаточной степени на момент постановки задачи. В диссертационной работе впервые:
1. Построена теоретически модель процессов, определяющих импульсную лазерную закалку сталей, а именно процесс аустенитизации сталей при лазерном нагреве, включающая в себя самосогласованное решение уравнений теплопроводности, кинетического уравнения роста новой фазы при полиморфном превращении и диффузии углерода, а также
12
пластической деформации. Модель позволяет определять глубину и твердость упрочненного слоя в зависимости от параметров лазерного режима для широкого круга сталей.
2. Предложен и проанализирован цикл термообработки сталей и сплавов, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения. Трехстадийный цикл позволяет обеспечить необходимую степень аустснитизации стали при нагреве и требуемый для упрочнения размер кристаллических зерен структуры и является оптимальным для лазерной закалки сталей.
3. Предложена теоретическая модель лазерной сварки металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления, основанная на необходимости профилирования лазерного импульса с целью образования достаточного объема ванны расплава при низкой плотности лазерной энергии и обеспечения условий гидродинамического развития парогазового канала при увеличении интенсивности лазерного излучения до максимальных значений.
4. Получены аналитические выражения для порогов лазерной абляции металлов в режиме низких плотностей энергии лазерного излучения в зависимости от длительности лазерного импульса (для пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов). Определена критическая длительность лазерного импульса, меньше которой величина пороговой энергии лазерной абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами перестает зависеть от длительности лазерного импульса.
5. Определены глубины абляции и обоснованы термодинамические особенности абляции полимеров ультрафиолетовыми лазерными импульсами. Показано, что основная часть энергии удаленных (испаренных) частиц содержится во внутренних степенях свободы, что обуславливает эффект так называемой «холодной» абляции полимеров.
6. Определен порог абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости порога абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков от ширины запрещенной зоны с использованием туннельного механизма нелинейного поглощения лазерного излучения в диапазоне высокой интенсивности и фемтосекундной длительности лазерного излучения.
7. Получено аналитическое решение кинетического уравнения, описывающего рост кристаллической фазы в расплаве в условиях сверхбыстрого охлаждения, реализуемого при лазерном воздействии, позволяющее определить размер кристаллического зародыша, относительный объем кристаллической фазы и критическую скорость охлаждения, при которой возможно образование аморфной фазы.
Пра(стическая значимость
Разработанные в работе новые модели механизмов, лежащих в основе различных лазерных технологий, могут применяться как самостоятельно, так и совместно с другими численными методами исследования лазерных технологий и позволяют получать новые знания о механизмах взаимодействия лазерных импульсов различной длительности с материалами. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации режимов применяемых лазерных технологий, при развитии новых методик лазерных технологий или для расширения области применения исследованных лазерных технологий.
На защиту выносятся:
ПОЛОЖЕНИЕ 1. Модель лазерной закалки сталей, основанная на самосогласованном рассмотрении при лазерном нагреве процессов теплопроводности, кинетики аустенитного превращения, диффузии
14
углерода и легирующих примесей, включая распад карбидной фазы, а также пластической деформации. Модель позволяет (теоретически и численно) при заданных параметрах режима лазерного воздействия (интенсивности и длительности лазерного импульса) определить для широкого круга сталей технологические параметры лазерной закалки сталей: глубину и твердость упрочненного слоя.
ПОЛОЖЕНИЕ 2. Новый цикл термообработки, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения, позволяющий увеличить время воздействия без снижения скорости нагрева и тем самым обеспечить необходимую для закалки степень полиморфного превращения. Трехстадийный цикл термообработки позволяет реализовать оптимальный цикл лазерной закалки сталей для широкого набора марок сталей.
ПОЛОЖЕНИЕ 3. Теоретическая модель сварки металлов импульсами лазерного излучения в режиме глубокого проплавления. Модель основана на необходимости формирования буферного объема ванны расплава на нервом этапе нагрева при низких значениях интенсивности лазерного излучения, и затем, на втором этапе, при увеличении интенсивности лазерного излучения до его максимального значения обеспечение условий гидродинамического развития парогазового канала. Модель позволяет определить параметры оптимальной формы лазерного импульса, обеспечивающего режим глубокого проплавления.
ПОЛОЖЕНИЕ 4. Результаты теоретического исследования абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии, позволившие определить аналитические выражения для пороговых значений лазерного потока абляции и температуры решетки для двух диапазонов длительностей лазерного излучения - пико- и фемтосекундных длительностей. Показано, что для каждого металла существует величина
15
длительности импульса лазерного излучения, меньше которой порог абляции не зависит от длительности лазерного импульса.
ПОЛОЖЕНИЕ 5. Результаты теоретического исследования гидродинамики лазерной абляции полимеров ультракороткими лазерными импульсами, основанные на рассмотрении абляции полимера как процесса фазового перехода I рода и позволившие определить термодинамического состояние продуктов абляции полимера. Показано, что продукты абляции полимеров находятся в возбужденном состоянии, что позволяет объяснить так называемый эффект «холодной» абляции полимеров под действием ультракоротких лазерных импульсов.
ПОЛОЖЕНИЕ 6. Результаты теоретического исследования лазерной абляции прозрачных материалов с использованием интенсивного лазерного излучения порядка десятков ТВт/см2 и фемтосекундных импульсов. Показано, что в указанном диапазоне интенсивностей и длительностей лазерного излучения реализуется туннельный механизм нелинейного поглощения света для широкозонных полупроводников и диэлектриков, получено аналитическое выражение для порога абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости величины порога абляции от ширины запрещенной зоны.
ПОЛОЖЕНИЕ 7. Результаты по теоретическому исследованию кинетики кристаллизации металлов из расплава при сверхбыстрых скоростях охлаждения, реализуемых при обработке материалов лазерными импульсами. Получено аналитическое решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам при сверхбыстрых скоростях охлаждения, позволившее определить размеры образующихся кристаллических зерен и относительный объем закристаллизовавшейся фазы, а также критическую скорость охлаждения, превышение которой приводит к образованию аморфной фазы.
16
Личный вклад
Автор принимала непосредственное и определяющее участие на всех этапах теоретических исследований, результаты которых представлены в диссертации. Идеи по необходимости реализации при лазерной закалке сталей трехстадийного теплового цикла воздействия, анализу термодинамического состояния продуктов абляции полимеров для объяснения механизмов «холодной» абляции полимеров, выбор условий для аналитического решения кинетического уравнения для функции распределения зародышей кристаллической фазы по размерам, определение критерия аморфизации принадлежат лично автору. Автор принимала непосредственное участие в разработке нового подхода к изучению процессов глубокого проплавления металлов и сплавов, в анализе результатов исследования абляции металлов ультракототкими лазерными импульсами, а также в выявлении природы зависимости порога абляции широкозонных полупроводников от ширины запрещенной зоны.
Под ее руководством в 1992 г. была защищена кандидатская диссертация И.В. Шишковским на тему: «Теоретическое моделирование физических процессов при лазерной закачке сталей». Автор является руководителем грантов РФФИ, исполнителем в проектах Президиума и ОФН РАН. Принимала участие в совместной работе по ряду международных проектов: с Институтом сварки Университета г. Осака и Университетом г. Нагойя (Япония), Лазерным центром в г. Ганновере (Германия), с Университетом г. Эдинбурга (Великобритания), Центром высокотехнологичных материалов Университета штата Ныо-Мехико, г. Альбукерке (США) и др.
Достоверность
Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов теоретического и численного анализа, а также хорошим соответствием полученных теоретических результатов с
17
экспериментальными данными, использованием разработанных теоретических моделей различными экспериментальными группами, а также на производстве.
Апробация
Основные результаты работы доложены на научных семинарах ФИАН, МГУ, Института физики твердого тела (Дрезден, Германия), Университета г. Штутгарта (Германия). Хериотт-Ватт Университета в Эдинбурге (Великобритания), Университетах гг. Нагойя и Осака (Япония), а также всесоюзных, российских и международных конференциях, школах и симпозиумах.
Основные результаты были представлены:
• Всесоюзная конференция по применению лазеров в народном хозяйстве, Россия, Звенигород (1985);
• Всесоюзный научно-технический симпозиум «Повышение износостойкости и усталостной прочности деталей машин обработкой концентрированными потоками энергии, Россия, Звенигород (1985);
• 5 Wissenschaftliche Konf. Rationalisierung im Maschinenbau, Zwickau, DDR (1985)
• 5,h Int. Conf. on Laser and their Applications, Dresden, DDR (1985).
• Всесоюзная научно-техническая конференция, Гомель, Белоруссия (1985), г. Телави, Грузия (1987);
• XI Всесоюзная конференция «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов», Россия, Куйбышев, (1986);
• International Conference “Laser Advanced Material Processing” (LAMP): Nagaoka, Japan (1992);
• European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM): Italy (1998), Moscow (2002), Spain (2006), Hungary (2010), Poland (2012).
• High Power Laser Ablation (HPLA), USA (2000), (2002), (2010).
• 11th International Conference on Plasma Physics, Australia (2002)
• International cjnfernce on the frontiers of plasma and technology (FPPT): Bangalore, India (2002), Tailand (2007), Nepal (2009);
• Asia-Pacific conference on fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM): Russia (2002), (2004), (2006) (2011), China
(2005), Japan (2008), Korea (2010).
• International Conference on Laser Ablation (COLA): Creta, Grece (2003), Tenerife, Spain (2007), Singapore (2009)
• International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA): France (2005), (2011).
• 16,h International Laser Physics Workshop, Mexico, Leon (2007).
• Полупроводниковые лазеры: физика и технология,
Санкт-Петербург, Россия (2008), (2010), (2012).
• Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур: Россия, Звенигород (2007), Москва-Звенигород (2009), (2011).
• 14h International Conference “Laser Optics 2010” Sankt-Petersburg (2010).
Публикации
По материалам диссертации получено авторское свидетельство, опубликовано 77 работ, из них в рецензируемых журналах - 26.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 221 странице, включая 70 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 77 наименования авторских публикаций и 220 наименований цитируемой литературы.
19
Глава 1.
Моделирование процессов фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах в процессах лазерной поверхностной термообработки.
Широкий диапазон технологических возможностей лазера обусловлен уникальными свойствами лазерного излучения - пространственно-временной когерентностью и монохроматичностью. Эти свойства позволяют фокусировать на малую площадку излучение большой плотности.
Известно, что действие лазерного излучения (ЛИ) с интенсивностью q < 106 Вт/см2 на поглощающую поверхность эквивалентно действию теплового источника соответствующей мощности [1-10]. Облучение металла импульсами лазерного излучения приводит к быстрому нагреву тонкого слоя, прилегающего к поверхности. После прекращения действия источника выделившееся в этом тонком слое тепло быстро отводится вглубь материала за счет теплопроводности и нагретый участок остывает. Это позволяет использовать ЛИ для модификации и термоупрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов за счет происходящих в них при изменении температуры фазовых и структурных превращений.
На рис. 1.1 [8] показаны области различных лазерных технологий в координатах: интенсивность излучения ц, время воздействия г. Наклонными линиями показаны уровни энергии г. = д г. Диапазон интенсивности излучения в лазерных технологиях термообработки ограничен 10М09Вт/см\
■> •у
При интенсивности ниже 10 Вт/см поверхность металла нагревается недостаточно для начала с грунтурно-фазовых превращений, обуславливающих различные виды лазерной термообработки. При интенсивностях выше 109 Вт/см2 начинаются процессы ионизации паров металла и образование поглощающей лазерное излучение плазмы,
20
снижающей эффективность процессов термоумрочнения, а также сварки и резки.
Рис. 1.1. Режимы обработки при различных видах воздействия лазерного излучения на поверхность.
Следует отметить, что количество существующих методов поверхностной лазерной обработки существенно больше, чем показано на рис. 1.1. Некоторые из них будут рассмотрены в главах 2-5.
В Главе 1 представлены теоретические модели, описывающие два вида лазерной термообработки металлов и сталей: процессы лазерной закалки сталей и лазерной сварки в режиме глубокого проплавлеиия.
1.1. Лазерная поверхностная термообработка металлов. Анализ физических процессов и выбор теоретической модели.
В процессах лазерной поверхностной обработки используются режимы как импульсного, так и непрерывного воздействия ЛИ, реализующие в приповерхностном слое тепловые циклы, состоящие из стадий нагрева и охлаждения (см., например [1-2]). Однако, нами было показано [48-53], что с помощью модификации воздействия ЛИ можно
- Київ+380960830922