» » Изменение условий облучения и роль жидкой фазы
24.12.2014

Механизму образования кратера при воздействии на металлы мощных световых импульсов посвящено значительное количество исследований. В предложенных моделях при сравнении жидкая фаза и плазма оцениваются по-разному. Предполагается, что основным эффектом является испарение или даже сублимация материала; указывается, что во многих случаях необходимо учитывать и роль жидкости.
Образование жидкой фазы при действии лазерного луча хорошо известно, в частности именно на этом эффекте основана сварка металлов с применением луча лазера, поэтому представляло интерес для достаточно широкого интервала условий облучения выяснить роль этого фактора.
Для оценки размеров зон застывшего расплава и термического влияния было целесообразно применить металлографический метод исследования.
Для облучения были использованы лазеры с рядом дополнительных устройств, дававших возможность при энергии до 150 дж менять длительность импульса от 2 до 12 м/сек и прерывать импульс на различных этапах до 2 м/сек, т. е. создавать диапазон условий облучения, ранее не изученный.
Можно было предположить, что увеличение длительности импульса при постоянном потоке энергии приведет к увеличению глубины кратера и изменению условий удаления жидкой фазы из кратера, что можно обнаружить при металлографическом исследовании.
Для проверки этого предположения было проведено облучение образцов технического железа при длительностях импульса 2 и 12 мсек с сохранением величины потока (удельной мощности). Для сравнения во второй серии опытов проводилось облучение образцов импульсами длительностью 2 мсек, имеющими ту же общую энергию, что и импульсы длительностью 12 мсек в первой серии опытов (табл. 4.1).
Изменение условий облучения и роль жидкой фазы

Из таблицы видно, что увеличение длительности импульса при сохранении постоянной удельной мощности приводит к резкому увеличению глубины кратера без изменения его диаметра.
Контрольные опыты по облучению железа импульсом с той же энергией, но меньшей длительностью показывает, что увеличение удельной мощности само по себе не приводит к значительному росту глубины кратера. Этот результат связан, по-видимому, с тем, что при энергиях, составляющих десятки джоулей и более при постоянной длительности импульса энергия, поглощенная металлом, мало меняется при увеличении энергии луча и различие энергий импульсов сказывается в основном лишь в доле энергии, поглощенной плазмой.
Сравнение сечений кратеров приведено на рис. 5.11,а. Поверхность образца в районе кратера в случае 2 (см. табл. 4.1) длительность импульса 2 мсек и энергия 150 дж покрыта выплеском застывшего металла, как это обычно наблюдается при лазерных воздействиях, в случае 3 (E=25 дж, t=2 мсек) выплеск значительно меньше, а в случае 1 (Е=150 дж, t=12 мсек) выплеск почти целиком отсутствует.
Изменение условий облучения и роль жидкой фазы

Структура технического железа в окрестности кратера является типичной для чистых металлов, подвергнутых облучению, поверхность кратера является застывшим расплавом с мелкоигольчатой структурой. За ней следует зона термического влияния, в которой произошел фазовый переход в твердом состоянии. Таким образом, при облучении возникали хорошо изученные структуры, что давало возможность проводить надежные количественные измерения размеров зон. Для этого с увеличением в 200 раз были построены панорамы сечений кратеров и по микрофотографиям было проведено измерение площади зон расплава и зон термического влияния (см. табл. 4.1).
Из результатов измерений видно, что увеличение длительности импульса при постоянной энергии приводит к резкому возрастанию количества расплава, оставшегося в кратере. Более резко возрастают размеры зоны термического влияния.
Это хорошо видно также из сравнения микрофотографий участков сечения кратера у его дна при различных временах облучения. При длительности импульса 12 мсек наблюдаются большие области расплава и термического влияния, при длительности 2 мсек эти области очень малы.
Интересно провести сравнение микротвердости зон при различных условиях облучения. Из данных табл. 4.1 следует, что микротвердость зоны расплава почти не меняется при изменении условий облучения, а твердость зоны термического влияния при росте длительности несколько увеличивается.
Таким образом, данные измерений геометрических характеристик зон и твердости показывают, что увеличение длительности импульса приводит к увеличению роли жидкой фазы при образовании кратера.
Для получения дополнительных данных, подтверждающих эту точку зрения, было проведено облучение образцов из углеродистой стали 45 (0,45% С) таким образом, что импульс общей длительности 1,7 мсек прерывался через определенные промежутки времени. При этом были получены образцы, подвергнутые облучению со строго одинаковым потоком энергии, но с длительностью импульса от 0,5 до 1,7 мсек. После облучения проводилась разрезка кратеров, изготовление металлографических шлифов, измерение микротвердости и построение границ областей застывшего расплава и термического влияния и, наконец, измерение площадей этих зон в сечениях кратеров и площадей сечений кратеров. Как и следовало ожидать, увеличение длительности импульса приводит к росту глубины и диаметра кратера.
На рис. 5.11,а приведены результаты соответствующих измерений. Следует отметить, что наиболее резкий рост размеров кратера происходит в начале действия светового импульса, а затем процесс замедляется, по-видимому, из-за экранирования луча жидкостью и плазмой, заполняющими кратер.
Измерение толщины зон расплава и термического влияния показало, что с увеличением длительности импульса размеры этих зон растут, причем наиболее резко для областей, близких к внешнему отверстию кратера.
Как видно из рис. 4.1, несмотря на то что размеры кратера с увеличением длительности импульса растут все медленнее, размеры зон расплава и термического влияния резко увеличиваются, что также указывает на увеличение роли жидкой фазы.
Измерение микротвердости показало значительное увеличение твердости зоны термического влияния (от 730 до 850), которая для этой стали состоит из превращенных зерен перлита и измельченного феррита, а также некоторый рост твердости зоны расплава. Разброс значений твердости при этом достаточно велик и иллюстрируется данными, приведенными на рис. 5.11,б.
Для доказательства того, что полученные результаты не являются специфическими для железа и стали, а могут быть использованы и для других материалов, было проведено облучение алюминия при различной длительности импульсов. Получено, что импульс длительностью 2 мсек не приводит к появлению заметной зоны расплава в сечении кратера, в то время как импульс длительностью 12 мсек кроме изменения формы кратера приводит к возникновению очень большой зоны застывшего расплава.
Анализ большого количества микрофотографий показывает надежность проведения изотерм по данным исследования микроструктуры. При этом, вероятно, отсутствует значительный перегрев при плавлении. Из данных измерений температур фазовых превращений в твердом состоянии при высоких скоростях нагрева [110] следует, что температура перехода феррита и перлита в аустенит при быстрых нагревах может повышаться, но, по-видимому, не более чем на несколько десятков градусов. Поэтому изотермы границ структурных переходов при действии лучей лазера могут быть использованы при теплофизических расчетах.
Приведенные данные позволяют провести дальнейшее уточнение роли жидкой фазы в процессе образования кратера и последующих структурных превращений. Увеличение длительности импульса приводит к повышению температуры плазмы, находящейся в кратере, и более интенсивной теплопередаче в стенки кратера. При этом увеличивается количество жидкой фазы, а повышение давления, даже если оно имеет место, недостаточно для выброса жидкости из кратера. На это, в частности, указывает уменьшение диаметра и увеличение глубины кратера при резком увеличении длительности импульса.
Область термического влияния, прилегающая к зоне застывшего расплава, получает от нее тепло и в какой-то степени нагревается тепловой волной, генерируемой в начале действия луча.
Увеличение продолжительности импульса приводит к уменьшению диаметра кратера, поэтому зона термического влияния находится ближе к первичному источнику тепла. Однако основную роль играет теплоотдача от больших масс жидкого металла в твердое тело, что приводит к росту размеров зоны термического влияния. Действительно, если жидкая фаза не остается в кратере, то стенки кратера охлаждаются немедленно после окончания импульса и конденсации газа, а если стенки покрыты жидкостью, то время охлаждения существенно возрастает.
Увеличение твердости зоны термического влияния с ростом длительности импульса, вероятно, связано со следующими причинами. За время обычного импульса лазера длительностью 1—2 мсек перераспределение углерода не успевает произойти не только в аустените между участками превращенного перлита и превращенного феррита (что неоднократно отмечалось выше), но и внутри зерен превращенного перлита между пластинками превращенного феррита и цементита. В результате при охлаждении в этом зерне возникает мартенсит, содержащий меньше чем 0,8% С. Сравнительно малое содержание углерода в мартенсите в этом случае подтверждается и данными рентгеновского анализа.
При увеличении длительности импульса до 12 мсек время нагрева в зоне термического влияния достаточно мало для того, чтобы углерод не успел перераспределиться между перлитом и ферритом, но внутри зерен перлита после превращения углерод перераспределяется равномернее и результирующий мартенсит имеет более высокое содержание углерода и, следовательно, более высокую твердость.
Эти же рассуждения применимы и для объяснения результатов твердости стали после действия импульса, прерывавшегося на различных этапах.
Одним из следствий полученных результатов является необходимость при нахождении условий упрочнения стали с помощью лучей лазера иметь возможность изменять не только плотность энергии, но и длительность импульса. По-видимому, оптимальными являются условия, при которых скорость нагрева несколько меньше, чем полученная при использовании лазеров с длительностью импульса 1—2 мсек.