Физические процессы

Тема 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

При лазерной обработке происходит поглощение поверхностным слоем материала энергии светового луча. В результате сложных теплофизических и термодинамических процессов, сопутствующих поглощению световой энергии, в.материале протекают фазовые и структурные превращения, изменения состава поверхностного слоя, обеспечивающие изменение его состояния.

На рис. 58 приведена схема физических процессов, развивающихся при воздействии высокоэнергетического лазерного пучка на поверхность металла.

Рис. 58. Схема физических процессов, развивающихся при воздействии лазерного излучения на металлические мишени

Поглощение энергии поверхностью приводит к ее нагреву. При лазерном легировании металла в атмосфере энергия луча частично поглощается слоем обмазки или легирующего компонента, предварительно нанесенным на обрабатываемую поверхность. При определенных условиях облучения у поверхности металла или так называемой мишени возможен пробой атмосферы с образованием плазменного факела. Эта плазма может поглотить до 100% энергии излучения, полностью экранируя мишень. В этом случае мишень нагревается от плазмы, а не от поглощения лазерного излучения.

При лазерной химико-термической обработке (ЛХТО) с использованием обмазок в состояние активной плазмы может перейти часть вещества обмазки.

Нагрев поверхности металла и нанесенных на его поверхность легирующих компонентов до температур, значительно превышающих температуры плавления, сопровождается их интенсивным испарением. При этом скорость испарения может быть настолько высокой (10⁵ см/с), что возникает так называемый механический импульс отдачи. Экспериментально установлено, что при нанесении на поверхность сплавов железа легко испаряющихся покрытий (кварца, свинца) механический импульс отдачи от реактивного действия истекающего пара может составить ~ 1МПа.

Нагрев металлов при воздействии лазерного излучения определяется его энергетическими характеристиками, теплофизическими свойствами обрабатываемого материала и наносимых легирующих компонентов и химическим взаимодействием основного металла мишени, а также легирующих компонентов с атмосферой и между собой. Предполагается, что лазерное легирование осуществляется в результате диффузии в твердой фазе из плазмы, а также из жидкой фазы путем конвективного перемешивания расплава.

В условиях образования перегретой жидкости при действии светового потока ОКГ основная часть легирующего компонента распространяется в зоне плавления направленными потоками под действием механических сил, а в результате диффузионного переноса от движущихся потоков легирующих элементов происходит их перераспределение по всему объему ванны расплава.

Для оценки геометрических параметров зоны легирования, фазовых и структурных превращений при ЛХТО необходимы достоверные сведения о скоростях нагрева и охлаждения, времени достижения температуры плавления и.распределения температур по сечению зоны лазерного воздействия.

Температурное поле при нагреве излучением лазера определяется уравнением теплопроводности для полубесконечного тела в линейной (теплофизические константы материала не зависят от температуры) или нелинейной (теплофизические константы материала зависят от температуры) постановках, а в условиях ЛХТО - с учетом поглощения энергии обмазкой легирующего компонента.

Для импульсных лазеров плотность мощности излучения, необходимая для расплавления таких металлов, как Fе, Ni, Ti, W, Mo, Al, Cu составляет 10³-10⁴ Вт/см². При плотности потока 2×10⁷ Вт/см² в центре пятна фокусировки луча скорость нагрева на поверхности металлической мишени составляет 10^10оС/с при градиенте температур 10⁶°С/см.

Скорость охлаждения металла в зоне действия луча после прекращения его действия достигает 10^9оС/с и резко уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Такие скорости охлаждения превышают критические скорости закалки металлов из жидкого состояния (10⁵-10^6оС/с) для образования аморфных и метастабильных структур.

Для прогнозирования процессов ЛХТО необходимо знать распределение температуры в зоне воздействия луча в зависимости от энергетических параметров излучения и распределение скоростей охлаждения после окончания действия импульса.

Температурное поле при ЛХТО определяется поглощением энергии поверхностью металла, которое, в отличие от ЛТО, в большой степени зависит от толщины слоя, теплофизических свойств и химического состава обмазок или легирующих элементов, наносимых на поверхность насыщения. Если химико-термическая обработка проводится в режиме расплавления, то для оценки геометрических параметров упрочненной зоны необходимо знать глубину распространения изотермы плавления. Эти данные могут быть получены исходя из эпюры распределения температур с учетом рассеяния энергии легирующими компонентами.

Дата добавления: 2014-01-04