Определение условий интенсификации лазерным воздействием процессов массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов

Применение лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов является прогрессивным направлением создания нанопористых металлических материалов. В работах [1–4] определены условия формирования лазерным воздействием нанопористых структур в металлическом материале – двухкомпонентном Cu-Zn сплаве. Для перераспределения плотности мощности в поперечном сечении лазерного пучка были применены дифракционные оптические элементы – фокусаторы лазерного излучения [5–10], что дало возможность избирательно проводить обработку областей необходимой геометрии. Установлено, что в результате лазерного воздействия при температуре, не превышающей температуру плавления, в материале происходит образование нанопор, которые достаточно равномерно распределены по площади; также образуются разветвлённые поры с характерной дендритной структурой. Такая структура формируется за счёт создания вакансий и их коагуляции в результате сублимации цинка с поверхности материала, что приводит к созданию градиента концентрации и диффузии к поверхности компонента с относительно высоким давлением паров. Условием для интенсификации массопе-реноса в твёрдой фазе металлических материалов является нестационарная локальная деформация, вызываемая высокоэнергетическим внешним воздействием [11–13].

Известно, что протекание таких процессов в металлических сплавах, как рекристаллизация, гомогенизация, релаксация и ряд других, определяет скорости и механизмы диффузии, которые имеют существенное значение для формирования их структур и свойств. Кроме изменения размера зёрен и микроструктуры металлов и сплавов, диффузионные процессы обуславливают появление наноструктурных

. 392-396.

эффектов: изменение угловых разориентировок субзёрен в составе зерна, дробление блоков, формирование упорядоченного распределения наноразмерных включений и пор, изменение уровня микроискажений и плотности дислокаций, являющихся потенциалом для улучшения физико-механических свойств материалов. Повышение температуры является действенным способом увеличения подвижности атомов, поскольку коэффициент диффузии связан с температурой экспоненциальной зависимостью, однако в ряде случаев такой способ имеет существенные ограничения, например, вследствие роста зерна и охрупчивания материала.

Лазерное воздействие с высокой частотой следования импульсов позволяет формировать устойчивое напряжённое состояние на поверхности образцов, что является причиной существенной интенсификации массопереноса [14–16]. При этом целенаправленное влияние на массоперенос и сопутствующие ему релаксационные процессы предоставляет возможность повысить эффективность методов обработки металлов и сплавов. Целью работы является определение условий интенсификации лазерным воздействием процессов массопереноса в твёрдой фазе при взаимной диффузии металлических материалов.

1.    Оборудование для проведения экспериментальных исследований

Энергетическое воздействие осуществлялось с помощью газового CO2-лазера ROFIN DC 010 с выходной мощностью от 100 до 1000 Вт и диаметром выходного пучка ~20 мм. Формирование лазерного излучения осуществлялось с помощью оптической системы [17] на основе фокусатора излучения. Исходное излучение было преобразовано в световое пятно с равномерной плотностью мощности с помощью дифракци- онного оптического элемента, выполняющего необходимую его фокусировку [18–20]. Контроль температуры в зоне нагрева осуществлялся с помощью бесконтактного пирометра «Кельвин-1300 ЛЦМ», имеющего диапазон измерения температур от 600 до 1600 K.

• 2.    Определение условий обработки лазерным излучением, обеспечивающих интенсификацию процессов массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов

  Проведено определение условий интенсификации лазерным воздействием процессов массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов. Исследовались процессы взаимной диффузии Fe и Cu. Изготовлены образцы из доэвтектоидной стали с содержанием углерода ~0,3%, имеющей полиэдрическую структуру, состоящую из зёрен феррита и перлита. На поверхности образцов был наплавлен слой меди, после чего был проведён отжиг при температуре 750±50ºС в течение 30 минут, после которого образцы подвергались лазерной обработке с высокой частотой следования импульсов. Воздействие лазерного излучения проводилось с равномерной плотностью мощности, изменяемой в пределах (3…4)·10⁶ Вт/м², и с частотой следования импульсов 100; 1000; 5000 Гц.

Металлографические исследования структуры меди и прилегающего слоя выполнялись с использованием травителя следующего состава: FeCl 3 – 10 г; НС1 – 25 мл; Н 2 О – 100 мл. Для выявления структуры Fe применялся 4 % раствор HNO 3 в этиловом спирте. Медь в железе имеет ограниченную растворимость, которая максимальна при температуре 800ºС и составляет около 0,9 %. При температуре 850ºС в системе Fe-Cu происходит эвтектоидное превращение, а структура состоит из фаз α- и ε-. Соотношение фаз пропорционально содержанию компонентов. Отмеченные свойства железисто-медных сплавов позволяют эффективно контролировать процесс взаимной диффузии Fe и Cu. На рис. 1 представлена микроструктура образца из доэвтектоидной стали с наплавленным слоем меди перед осуществлением воздействия лазерным излучением.

Рис. 1. Структура стального образца (содержание углерода ~0,3 %) с наплавленным слоем меди после проведения отжига при температуре 750±50°С в течение 30 минут; увеличение ×500: 1 – Cu; 2 – сплав Fe–C

Структура образцов после лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов представлена на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Структура образца после лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов; увеличение ×500: 1 – медь; 2 – зона взаимной диффузии

Рис. 3. Структура образца после лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов; увеличение ×500: 1 – зона взаимной диффузии; 2 – сплав Fe–C

На основании анализа результатов металлографических исследований установлено, что реализованные режимы обработки импульсно-периодическим лазерным излучением с высокой частотой следования импульсов обеспечивают интенсификацию процессов массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов при взаимной диффузии Fe и Cu.

Образуется переходная область, содержащая α- и β-фазу. Поскольку растворимость меди в железе низкая, то избыток Cu в стальной основе выделяется в виде α-фазы (твёрдого раствора Fe в Cu), формируя сетку по границам зёрен, а также образуя достаточно крупные включения, имеющие близкую к овальной форму. Количество выделений α-фазы уменьшается по мере удаления от границы раздела вглубь материала. После лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов в наплавленном слое также образуется переходная зона, основу структуры которой составляет α-фаза с выделением β-фазы (твёрдого раствора Cu в Fe).

С помощью цифрового виброметра PDV 100 выполнялись измерения виброскорости. Измеряемый частотный диапазон составлял 0,5…16000 Гц [21, 22].

При воздействии лазерного излучения с частотой 100; 1000; 5000 Гц исследовались вынужденные колебания образцов из доэвтектоидной стали с наплавленным слоем меди. Установлено, что вне зависимости от частоты внешнего лазерного воздействия максимальные значения виброскоростей имели место при практически одинаковых частотах, соответствующих частотам собственных колебаний. Установлено, что на частотах более 700 Гц значение виброскоростей не превышало 0,004 мм/с. При увеличении температуры нагрева наблюдался некоторый сдвиг частотного диапазона в сторону больших значений, что можно объяснить изменением модуля нормальной упругости. Установлено, что при описанных условиях происходит интенсификация процессов массопереноса в твёрдой фазе металлических материалов. Применение демфирующего устройства приводит к снижению значений виброскоростей на порядок. В этом случае интенсификации процессов массопереноса в металлических материалах не происходит. Таким образом, определено, что для проявления обобщённой термодинамической движущей силы, обеспечивающей интенсификацию массопереноса в неравновесных условиях, необходимым условием является нестационарная локальная деформация, вызываемая лазерным воздействием.

Заключение

Определены условия интенсификации лазерным воздействием массопереноса в твёрдой фазе при взаимной диффузии Fe и Cu. Впервые для реализации данного процесса в металлических материалах использовался нагрев импульсно-периодическим лазерным излучением. Лазерное воздействие с высокой частотой следования импульсов позволяет формировать устойчивое напряжённое состояние на поверхности образцов, что является причиной существенной интенсификации массопереноса. Для проявления обобщённой термодинамической движущей силы, обеспечивающей интенсификацию массопереноса в неравновесных условиях, необходимым условием является нестационарная локальная деформация, вызываемая лазерным воздействием.

Таким образом, определена возможность повышения эффективности методов лазерной обработки металлов и сплавов. В дальнейшем целесообразно проведение исследований других конструкционных, инструментальных и функциональных металлических материалов, в частности, при проведении их химикотермической обработки, поскольку скорости и механизмы диффузии имеют существенное значение для формирования их структур и свойств.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.