Зависимость избирательности воздействия лазерного излучения от частоты импульсов

УДК 620.178.15

БОТ: 10.20310/1810-0198-2016-21-1-171-175

ЗАВИСИМОСТЬ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ

© И.В. Ушаков, А.Ю. Батомункуев

Обсуждены основные механизмы, обеспечивающие избирательность воздействия лазерного излучения на дефектные области в аморфно-нанокристаллических металлических сплавах. Обсуждены условия аннигиляции дефектных областей под действием ударной волны в материале, прогретом лазерной плазмой. Компьютерным моделированием рассчитана специфика прогрева образца серией из 15 лазерных импульсов длительностью 20 нс с частотой 200 Гц. Рассмотрена специфика разрушения нанокристаллического состояния. Приведена методология определения возможности проведения избирательной обработки импульсным лазерным излучением. Ключевые слова: лазерный нагрев материала; селективная лазерная обработка; компьютерное моделирование; наноструктурные металлические сплавы; кристаллизация; режимы лазерной обработки.

ВВЕДЕНИЕ

Селективные возможности воздействия лазерного излучения на твердые непрозрачные материалы все чаще используются при научных исследованиях и инженерных разработках [1-2]. Это касается как обработки «традиционных» микрокристаллических материалов, так и обработки нового класса наностуктурных металлических сплавов [3-6].

Возможности селективной лазерной обработки проявляются в избирательности воздействия лазерного излучения и/или лазерной плазмы на разные области, на поверхности и в объеме материала. Этими областями могут быть кристаллиты, которые должны отличаться химическим составом, кристаллической решеткой, наличием дефектов (трещины, поры, скопление дислокаций, двойники), наличием и величиной механических напряжений, а в некоторых случаях и ориентацией относительно поверхности, на которую воздействует лазерное излучение [2].

Этими областями могут быть отдельные участки межзеренного пространства. Известно, что при контролируемой кристаллизации наноструктурных металлических сплавов происходят сложные процессы рекристаллизации, при которых изменяется химический состав межзеренных прослоек, в них возникают (и релак-сируют) механические напряжения и пр. [7-8].

Этими областями также могут быть участки в вершине макротрещин, материал вблизи больших пор, а также множество характерных дефектных областей, свойственных поверхностям нано- и микрокристаллических металлических сплавов.

Селективная обработка может применяться как для улучшения свойств материала, так и в ходе изготовления материала и осуществления наплавления на его поверхность. Весьма существенно, что при этом материал в целом сохраняет свою структуру и свойства.

То есть лазерная обработка нацелена на избирательное изменение состояния отдельных нано- и/или микро-

размерных областей, при том, что в остальном структура и свойства материала остаются неизменными.

К настоящему времени выполнены многочисленные работы, подтверждающие эффективность данного подхода. Однако в указанных работах прежде всего выбирали/искали те режимы обработки, которые будут более эффективны, т. е. эффективно улучшать свойства материала, сохраняя при этом его структуру и избирательность воздействия.

Остается открытым вопрос о возможных границах применимости такого подхода с точки зрения режима лазерной обработки. При каких длительностях импульса такой подход является эффективным? Для каких длин волн селективная обработка более эффективна, а для каких менее? Какова оптимальная длительность воздействия и при какой длительности воздействия лазерная обработка теряет свою эффективность?

Таким образом, целью данной работы является выявление длительности лазерной обработки и частоты импульсов, при которых сохраняется избирательность лазерного воздействия на тонкие ленты аморфно-нанокристаллических металлических сплавов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Методика эксперимента включает последовательные стадии приготовления образцов и их обработки наносекундными лазерными импульсами с целью формирования необходимых механических свойств.

Нарезали образцы размером 15x25 мм из тонкой аморфной ленты марки 82К3ХСР

(Со7166Б4,73Ее3,38Сг3,14811709), закупленной на Ашинском металлургическом заводе. Отожженные образцы наносили на полимерную подложку с металлическим основанием. Эксперименты проводили с использованием оптического квантового генератора ELS-01, уимп до 50 Гц, X = 1064 нм, £имп 50-100 мДж, т « 15-20 нс; ЬБ 2137, Еимп « 250 мДж, X = 1064 нм, т« 15-17 нс.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментально было установлено, что облучение одним лазерным импульсом (характеристики указаны в разделе методика эксперимента) способно приводить к некоторому улучшению механических свойств аморфно-нанокристаллического металлического сплава [1; 9]. Улучшение механических свойств заключается в повышение пластичности и/или вязкости микроразрушения с сохранением неизменно высокого значения микротвердости.

Повышение механических свойств связано с избирательностью (преимущественное воздействие) влияния лазерного излучения и лазерной плазмы на отдельные дефектные области на поверхности и в объеме наноструктурного материала. Преимущество данного подхода связано с тем, что при этом сохраняется комплекс полезных характеристик материала.

Следует отметить, что возможность селективного воздействия связана не только с режимом лазерной обработки, но и с химическим составом, а также структурой сплава. Приведенные в данной статье рассуждения принципиально применимы ко всем наноструктур-ным металлическим сплавам, но конкретные режимы обработки подбирались для случая аморфного металлического сплава 82К3ХСР, который переводился в наноструктурное состояние контролируемым отжигом.

Экспериментально было установлено, что воздействие серии лазерных импульсов (10 импульсов) с частотой 8-20 Гц приводит к более значительным улучшениям механических свойств, чем при воздействии одного импульса. В этом случае отмечена существенная зависимость изменения свойств от температуры предварительного отжига материала и, соответственно, от его структуры и комплекса механических свойств.

Удавалось повысить микротвердость в 1,5-2 раза с одновременным увеличением вязкости микроразрушения (данная характеристика связана с пластичностью образца в целом) в 2-3 раза [2].

Структура материала при этом не претерпевала существенных изменений, что контролировалось исследованиями на дифрактометре ДРОН-2. На дифракто-граммах не отмечалось существенных изменений в пределах точности измерений.

Улучшение комплекса механических свойств связано с избирательностью воздействия излучения на дефектные области, залечиванием микротрещин и пр. Кроме того, на границе зоны воздействия образуется композит из наплавленного материала, выдавливаемого лазерной плазмой из центральных областей области облучения. Выдавливаемый материал, застывая, создает композит из относительно пластичного поверхностного слоя и твердого, но хрупкого исходного материала. За счет создания плотной матрицы таких областей возможно улучшение механических характеристик образца в целом.

Таким образом, увеличение частоты следования импульсов до 8-20 способствовало улучшению механических свойств материала, который оставался нано-структурным.

Дальнейшее увеличение частоты следования импульсов может привести к нежелательным эффектам. В этом случае может быть потеряна избирательность обработки, которая будет обусловлена «традиционными факторами» воздействия лазерного излучения [10].

При избирательной лазерной обработке нагревается до температур 500-600 К слой толщиной и 6-8 мкм (20-30 % от общей толщины образца). Поверхность образца нагревается до температур плавления (или близких к плавлению). Однако за счет малого времени (миллисекунды) пребывания материала при таких температурах и высоких скоростях охлаждения (сравнимых со скоростью охлаждения данного сплава при аморфи-зации) структура материала в целом не меняется.

Возможно, что при увеличении частоты следования импульсов возрастет температура и время нахождения материала при высокой температуре. Определенное кратковременное повышение температуры может иметь положительный эффект, связанный с тем, что облегчается пластическое деформирование, существенное при залечивании микротрещин и релаксации механических напряжений. Однако длительное нахождение при высокой температуре будет приводить к рекристаллизации, росту и объединению кристаллов и разрушению нанокристалического состояния. В этом случае воздействие лазерного излучения уже нельзя назвать селективным, будет потеряно существенное преимущество данного способа обработки сплава, связанное с сохранением исходной нанокристаллической структуры.

Вероятно, для данного сплава и заданных параметров лазерных импульсов существует оптимальный диапазон частот, при которых будет наблюдаться избирательность воздействия, оптимизация механических свойств без потери наноструктурного состояния и полезных характеристик.

Методом компьютерного моделирования определим верхнюю границу частоты лазерных импульсов, при которой теряется избирательность и разрушается нанокристаллическая структура.

Рассмотрен прогрев материала в области воздействия лазерной плазмы для серии из 15 лазерных импульсов (с характеристиками, указанными выше), следующими с частотой 200 Гц.

На рис. 1 показано распределение изотерм через 5 мс после окончания воздействия импульса. Это момент времени перед началом воздействия следующего импульса. Из анализа рисунков видно, что происходит очень быстрый прогрев материала как в поверхностных слоях, так и на границе образец - подложка. В табл. 1 приведены основные данные по распределению изотерм.

Из табл. 1 видно, что происходит быстрый нагрев не только материала под областью воздействия лазерного импульса, но и всего образца. Следовательно, при создании матрицы облученных областей следует учитывать взаимовлияние тепловых полей от соседних областей обработки.

Достаточно быстро растет температура на границе образец-подложка (рис. 2). После пятнадцатого импульса температура на границе с подложкой достигает 800 К, что критично для материала даже термостойких подложек.

Обсудим рис. 1 подробнее. При рассмотрении прогрева выделим слои с усредненной температурой. Данное усреднение несколько искажает реальную картину прогрева, но позволяет упростить анализ изотерм. После пятого импульса на глубине до 4 мкм материал образца расплавлен (и 1600 К). Вторая зона от 4 до 9 мкм прогрета до 1300 К. Третья зона от 9 до 13 мкм -температура нагрева 1000 К. При столь высоких темпе-

а)

б)

в)

Рис. 1. Распределение изотерм в образце в зависимости от номера импульса: а) распределение изотерм после первого импульса; б) после пятого; в) после десятого, г) через 5 мс после последнего пятнадцатого импульса

г)

Таблица 1

Сводные данные по распределению температур в образце, облученном серией лазерных импульсов

Средняя температура образец/подложка

Радиальные расстояния от центра области облучения для разных изотерм, определенных на глубине 15 мкм (центральная часть образца), х10-3 м

350 К 400 К 450 К 500 К 550 К 600 К

I 439 0,57 0,3 - - - -

II 523 0,77 0,56 0,38 - - -

III 584 0,94 0,69 0,58 0,43 0,31 -

IV 625 1,01 0,84 0,65 0,62 0,41 0,32

V 651 1,05 0,93 0,7 0,68 0,48 0,35

VI 668 1,15 0,98 0,72 0,69 0,53 0,36

VII 684 1,25 1,07 0,87 0,7 0,54 0,43

VIII 701 - 1,25 0,89 0,73 0,55 0,44

IX 714 - - 0,96 0,74 0,59 0,47

X 729 - - 1,11 0,83 0,65 0,51

XI 743 - - 1,25 0,91 0,71 0,56

XII 752 - - - 0,93 0,78 0,59

XIII 761 - - - 1,03 0,79 0,62

XIV 769 - - - 1,17 0,86 0,64

XV 779 - - - 1,25 0,88 0,65

ратурах и достаточном времени нахождения в нагретом состоянии будут запущены процессы рекристаллизации и разрушения наноструктурного состояния.

После 10 импульса на глубине до 4 мкм сохраняется расплав. Неизменная толщина расплава следует из предположения, что верхняя часть материала будет испаряться, за счет чего толщина расплава существенно меняться не будет. На глубине от 4 до 9 мкм температура приближается к 1600 К. Хотя температура близка к температуре плавления, расплава может и не быть, т. к. требуется разрушение кристаллического состояния, которое может протекать при более высоких тем-

пературах в условиях шокового давления. На глубине 9-13 мкм температура достигает 1000 К. В четвертом слое (от 13 мкм до подложки) температура достигает 729 К.

После 15 импульса на глубине до 9 мкм расплав или температура близкая к расплаву. На глубине до 13 мкм температура материала 1300 К, оставшаяся часть образца прогревается до 780 К.

Таким образом, очень быстро происходит нагрев образца. Температура на глубине до «10 мкм (треть образца) достигает температуры плавления. Оставшаяся часть образца нагревается до температур, приводя-

900

800

« 700

я а

я &

600

£ 500

400

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Номер импульса

Рис. 2. Среднее значение температуры на границе образец-подложка в зависимости от номера импульса

щих к разрушению наноструктурного состояния при достаточном времени нагрева.

Такой режим лазерной обработки неизбежно теряет отмеченные выше уникальные возможности селективного воздействия на локальные области с сохранением наноструктурного состояния образца в целом.

Верхняя треть материала в зоне облучения после прекращения обработки будет остывать. Расплав может или кристаллизоваться (при медленном охлаждении), или стать аморфным при сверхбыстром охлаждении. В случае сверхбыстрого охлаждения возможно сохранение некоторых механических и магнитных свойств, характерных для магнитомягкого сплава 82К3ХСР. Однако наноструктурное состояние будет разрушено. С учетом прогрева подложки и образца в целом, возможно медленное остывание, приводящее к кристаллизации материала. В этом случае верхний слой материала в зоне обработки потеряет практически все уникальные свойства, т. к. материал на глубине 11-30 мкм нагревается до температур, запускающих процессы рекристаллизации и приводящих к разрушению наност-руктурного состояния.

В работах [1-2] обсуждался механизм залечивания трещин и релаксации напряжений. В верхней части образца (до 10 мкм), в зоне расплава этот механизм работать не будет. В остальной части образца предложенный механизм также потеряет свою эффективность из-за активизации процесса рекристаллизации. Эффект будет усиливаться при обработке матрицы областей на образце по предложенному в [2] механизму.

Следовательно, увеличение частоты с 10-25 Гц до 200 Гц будет приводить к принципиально другому тепловому режиму, при котором неизбежно разрушается наноструктурное состояние в значительной части образца и теряется избирательность лазерной обработки.

ВЫВОДЫ

1. Методом компьютерного моделирования определено распределение температур в образце при облучении тонкой ленты (30 мкм) аморфно-нанокри-сталлического металлического сплава серией лазерных

импульсов с плотностью мощности 4-108 Вт/м2 и энергией 75 мДж.

2. В результате обработки материала серией из пятнадцати импульсов температура верхней трети образца (в зоне обработки) достигает температуры плавления. Температура остального образца достигает температур 800-1000 К, при которых запускаются процессы рекристаллизации и разрушения наноструктурного состояния. Эффект селективного лазерного воздействия на отдельные дефектные области пропадает при переводе третьей части образца в расплав и запуске процессов рекристаллизации в остальном материале.

3. Предложена методология оценки режимов лазерной обработки, при которой сохраняется/пропадает эффект селективного воздействия на отдельные дефектные области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ушаков И.В., Сафронов И. С. Механические характеристики аморфного металлического сплава, подвергнутого обработке импульсным лазерным излучением в глубоком вакууме // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 1. С. 133-134.

2. Сафронов И.С. Выявление механизмов формирования механических свойств тонкой ленты металлического сплава при импульсной лазерной обработке: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тамбов, 2013.

3. Маранц А.В., Сентюрина Ж.А., Ядройцев И.А., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Сравнение свойств материалов сталь-TiC, полученных методами лазерных технологий и порошковой металлургии // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 1. С. 22-26.

4. Макаров Г.Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии // Успехи физических наук. М., 2013. Т. 183. С. 675-719.

5. Маранц А.В. Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiC: автореф. дис. ... канд. тех. наук. М., 2013.

6. Макаров Г.Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии // Успехи физических наук. М., 2013. Т. 183. С. 675-719.

7. Абросимова Г.Е. Эволюция структуры аморфных сплавов // Успехи физических наук. М., 2011. Т. 181. № 12. С. 1265-1281.

8. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Зверькова И.И., Гуров А.Ф., Кирьянов Ю.В. Образование, структура и микротвердость нанокристал-лических сплавов Ni-Mo-B // Физика твердого тела. СПб., 1998. Т. 40. № 1. С. 10-16.

9. Ушаков И.В., Сафронов И.С. Механические характеристики тонкой ленты многокомпонентного аморфно-нанокристаллического металлического сплава, обработанного серией наносекундных лазерных импульсов // Тяжелое машиностроение. 2012. № 10. С. 6-9.

10. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Лазерный нагрев // Основы термической обработки стали. Екатеринбург, 1999.

С. 376-385.

Поступила в редакцию 11 января 2016 г.

Ушаков Иван Владимирович, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры физики; Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, профессор кафедры «Автоматика и компьютерные системы управления», e-mail: ushakoviv@mail.ru

Батомункуев Амагалан Юрьевич, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация, аспирант, кафедра физики, e-mail: amgalan-ngu-621@yandex.ru

UDC 620.178.15

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-1-171-175

The main mechanisms of laser radiation selected influence on defected areas in amorphous-nano crystalline metallic alloys are discussed. The annihilation of defected areas under influence of shock wave in heated material is discussed. The heating of sample by series from 15 laser impulses duration 20 nsec and frequency 200 Hz is revealed by computer modeling. The specific character of non-crystal state destruction is reviewed. The methodology of probability selected laser treatment determination is described. Key words: laser heating of materials; selected laser treatment; computer modeling; nanostructural metallic alloys; crystallization; modes of laser treatment.

1. Ushakov I.V., Safronov I.S. Mekhanicheskie kharakteristiki amorfnogo metallicheskogo splava, podvergnutogo obrabotke impulsnym lazernym izlucheniem v glubokom vakuume. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2013, vol. 18, no. 1, pp. 133-134.

2. Safronov I.S. Vyyavlenie mekhanizmov formirovaniya mekhanicheskikh svoystv tonkoy lenty metallicheskogo splava pri impulsnoy laz-ernoy obrabotke. Avtoreferat dissertatsii ... kandidata fiziko-matematicheskikh nauk. Tambov, 2013.

3. Marants A.V., Sentyurina Z.A., Yadroytsev I.A., Yadroytseva I.A., Narva V.K., Smurov I.Y. Sravnenie svoystv materialov stal-TiC, poluchennykh metodami lazernykh tekhnologiy i poroshkovoy metallurgii. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalnye pokrytiya. 2013, no. 1, pp. 22-26.

4. Makarov G.N. Primenenie lazerov v nanotekhnologii: poluchenie nanochastits i nanostruktur metodami lazernoy ablyatsii i lazernoy nanolitografii. Uspekhi fizicheskikh nauk. Moscow, 2013, vol. 183, pp. 675-719.

5. Marants A.V. Razrabotka i issledovanie protsessov lazernoy obrabotki kompozitsionnykh materialov stal SPN14A7M5-TiC. Avtoreferat dissertatsii ... kandidata tekhnicheskikh nauk. Moscow, 2013.

6. Makarov G.N. Primenenie lazerov v nanotekhnologii: poluchenie nanochastits i nanostruktur metodami lazernoy ablyatsii i lazernoy nanolitografii. Uspekhi fizicheskikh nauk. Moscow, 2013, vol. 183, pp. 675-719.

7. Abrosimova G.E. Evolyutsiya struktury amorfnykh splavov. Uspekhi fizicheskikh nauk. Moscow, 2011, T. 181, no. 12, pp. 1265-1281.

8. Abrosimova G.E., Aronin A.S., Zverkova I.I., Gurov A.F., Kiryanov Yu.V. Obrazovanie, struktura i mik-rotverdost nanokristalli-cheskikh splavov Ni-Mo-B. Fizika tverdogo tela. St.Petersburg, 1998, vol. 40, no. 1, pp. 10-16.

9. Ushakov I.V., Safronov I.S. Mekhanicheskie kharakteristiki tonkoy lenty mnogokomponentnogo amorfno-nanokristallicheskogo metallicheskogo splava, obrabotannogo seriey nanosekundnykh lazernykh impulsov. Tyazheloe mashinostroenie, 2012, no. 10, pp. 6-9.

10. Smirnov M.A., Schastlivtsev V.M., Zhuravlev L.G. Lazernyy nagrev. Osnovy termicheskoy obrabotki stali. Yekaterinburg, 1999, pp. 376-385.

Received 11 January 2015

Ushakov Ivan Vladimirovich, National University of Science and Technology "MISiS", Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Associate Professor, Professor of Physics Department; Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Professor of "Automatics and Computer Systems of Control" Department, e-mail: ushakoviv@mail.ru

Batomunkuev Amagalan Yuryevich, National University of Science and Technology "MISiS", Moscow, Russian Federation, Post-graduate Student, Physics Department, e-mail: amgalan-ngu-621@yandex.ru

THE DEPENDENCE OF SELECTIVE INFLUENCE OF LASER RADIATION OF IMPULSES FREQUENCY

© I.V. Ushakov, A.Y. Batomunkuev

REFERENCES